基于SOPC的嵌入式高速串口設(shè)計(jì)

　　目前的嵌入式處理器種類(lèi)繁多。Altera 公司的Nios II處理器是用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器,與Altera 的FPGA 組合,具有很高的性?xún)r(jià)比。

　　總體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)架構(gòu)

　　高速串口數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用雙線平衡驅(qū)動(dòng)，半雙工同步傳輸或單向廣播同步傳輸，線路傳輸速率為5Mbits/s，總線連接關(guān)系如圖1所示。



　　系統(tǒng)中主機(jī)模塊能調(diào)度總線上的數(shù)據(jù)幀收發(fā)，保持?jǐn)?shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)由主機(jī)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀若為半雙工同步傳輸幀，則數(shù)據(jù)幀只對(duì)其中一個(gè)外圍模塊有效，同時(shí)當(dāng)外圍模塊收到數(shù)據(jù)后，應(yīng)發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)；數(shù)據(jù)幀若為單向廣播同步傳輸幀，則數(shù)據(jù)發(fā)向所有外圍模塊，而不需要任何應(yīng)答信號(hào)。

　　系統(tǒng)以固定的數(shù)據(jù)幀格式傳送數(shù)據(jù)，不同于傳統(tǒng)的SCI格式，幀長(zhǎng)為7字節(jié)(共56bits)，由2字節(jié)引導(dǎo)序列、1字節(jié)地址，3字節(jié)數(shù)據(jù)、1字節(jié)幀結(jié)束序列組成。幀的發(fā)送順序：字節(jié)內(nèi)低位先發(fā)，多字節(jié)內(nèi)低字節(jié)先發(fā)。

　　無(wú)論是主機(jī)模塊還是外圍模塊均采用相同的串口通信設(shè)計(jì)，串口通信設(shè)計(jì)包含兩個(gè)主要部分：通信接口部分和管理控制部分。通信接口部分主要完成數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的封裝和解封裝，并通過(guò)幀頭的分析識(shí)別進(jìn)行時(shí)隙定位，同時(shí)能讓系統(tǒng)內(nèi)的每一終端實(shí)現(xiàn)多機(jī)共享通信資源的通信機(jī)制，該模塊由VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。管理控制部分由NiosII軟核實(shí)現(xiàn)的，為了能在串行通信方式上實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多設(shè)備同時(shí)通信，系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一套完整而獨(dú)特的控制幀格式，并通過(guò)這些幀格式控制實(shí)現(xiàn)建立連接，撤銷(xiāo)連接和相應(yīng)管理。因此，利用NiosII的特點(diǎn)，形成特殊的幀頭判決、同步時(shí)鐘提取、控制信息的判斷、收發(fā)模式變換，這些都依賴(lài)專(zhuān)用模塊的實(shí)施并靠高速執(zhí)行速度來(lái)適應(yīng)多終端下的高傳輸速率。

　　鑒于以上系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)要求，串口通信采用模塊化設(shè)計(jì)思路和方法，模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　NiosII軟核CPU開(kāi)發(fā)工具SOPC Builder提供簡(jiǎn)潔的操作方式，可將用戶(hù)的數(shù)字電路模塊封裝成標(biāo)準(zhǔn)的NiosII軟核外設(shè)模塊，這使得NiosII軟核可以很容易地與用戶(hù)邏輯結(jié)合，構(gòu)成功能更加強(qiáng)大的SOC系統(tǒng)。在高速串口數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)中，既需要一個(gè)高速的處理器作為系統(tǒng)的控制管理核心，又有大量用戶(hù)自定義的數(shù)字電路功能模塊需要在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)，因此，采用FPGA芯片和NiosII軟核CPU作為高速串口數(shù)據(jù)通信的硬件平臺(tái)是一個(gè)優(yōu)化的選擇。
　　
　　通信接口模塊設(shè)計(jì)

　　通信接口模塊設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，由兩部分組成：數(shù)據(jù)幀發(fā)送電路和數(shù)據(jù)幀接收電路。數(shù)據(jù)幀發(fā)送電路將NiosII 要發(fā)送的數(shù)據(jù)、地址按照數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行組幀，然后同步傳輸?shù)娇偩€上，該部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是并串轉(zhuǎn)換、合并數(shù)據(jù)和同步控制，數(shù)據(jù)的發(fā)送率為5Mbits/s，而工作時(shí)鐘fclk為25MHz，對(duì)fclk進(jìn)行5分頻，得發(fā)送時(shí)鐘ftxd為5MHz。當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，每一個(gè)即ftxd的上升沿到來(lái)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，先發(fā)送幀頭2字節(jié)引導(dǎo)序列，即“1110011100111110”，然后發(fā)送串行數(shù)據(jù)。由于NiosII的內(nèi)部數(shù)據(jù)寬度通常是32位，故將1字節(jié)地址和3字節(jié)數(shù)據(jù)由軟件將其合并成一組32位寬度的數(shù)據(jù)，合并時(shí)地址在低位，數(shù)據(jù)在高位，然后將要發(fā)送的32位數(shù)據(jù)緩存在一個(gè)32位寬度的矢量區(qū)間，引導(dǎo)序列結(jié)束后從低位到高位依次發(fā)送數(shù)據(jù)，即data[0]、data[1]……data[31]，最后發(fā)送結(jié)束標(biāo)志字節(jié)“1110011”，發(fā)送結(jié)束。

　　接收電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是如何準(zhǔn)確判斷到數(shù)據(jù)幀頭，然后解析地址，數(shù)據(jù)的速率為5Mbit/s，F(xiàn)PGA的工作時(shí)鐘fclk為25MHz，參考RS-232串口通信的設(shè)計(jì)思想，用高倍時(shí)鐘對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，即每5個(gè)fclk采樣一個(gè)bit，此處可以先設(shè)計(jì)一個(gè)5進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每一次計(jì)數(shù)，保存采集的數(shù)據(jù)，在第2、3、4次采樣時(shí)，若所采到的值相同，則判斷這個(gè)bit為當(dāng)前的采樣值。在判斷2字節(jié)引導(dǎo)序列時(shí)采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)法和序列檢測(cè)器的設(shè)計(jì)思想，判斷第1個(gè)bit是否為‘0’，如果是‘0’則繼續(xù)判斷下一bit是否為‘1’,如果是‘1’則一直等待在第1狀態(tài)直到判斷到‘0’才跳轉(zhuǎn)，判斷狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

　　用戶(hù)定義的Avalon總線模塊設(shè)計(jì)

　　NiosII是基于RISC技術(shù)的通用嵌入式處理器芯片軟內(nèi)核，它特別為可編程邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，也為可編程單芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套綜合解決方案。Avalon總線是一種高效的總線結(jié)構(gòu)，主要用于連接片內(nèi)處理器NiosII和各種外設(shè)IP core，以構(gòu)成可編程系統(tǒng)芯片(SOPC)。數(shù)據(jù)幀發(fā)送電路和數(shù)據(jù)幀接收電路通過(guò)Avalon總線和NiosII處理器連接在一起，Avalon總線規(guī)范定義了主端口和從端口之間通過(guò)Avalon總線模塊傳輸數(shù)據(jù)所需的信號(hào)和時(shí)序。設(shè)計(jì)時(shí)通信模塊采用從端口傳輸模式，數(shù)據(jù)幀發(fā)送電路采用具有外設(shè)控制等待周期的從端口寫(xiě)傳輸模式，發(fā)送電路除串行數(shù)據(jù)輸出線外，還必須提供符合Avalon總線傳輸要求的信號(hào)線，即Address、Writedata(31..0)、Write_n、Chipselect、Waitrequest，與NiosII工作同步的時(shí)鐘信號(hào)clk，當(dāng)CPU要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將Address、Write_n信號(hào)有效，同時(shí)將要發(fā)送的32位數(shù)據(jù)裝載到Writedata(31..0)上，而同步時(shí)鐘clk一直處于工作狀態(tài)，當(dāng)clk上升沿判斷到以上信號(hào)有效后，Avalon總線對(duì)Address譯碼，然后置Chipselect有效，而發(fā)送電路VHDL程序設(shè)計(jì)時(shí)必須判斷Address、Chipselect是否有效，如果有效，則在下一個(gè)clk上升沿前將Waitrequest置為無(wú)效，數(shù)據(jù)傳送電路就從Avalon總線獲取Writedata數(shù)據(jù)，如果Waitrequest有效，則這個(gè)總線周期就成為等待周期，其他信號(hào)以及數(shù)據(jù)信號(hào)保持不變，但外設(shè)必須保證不會(huì)使Waitrequest無(wú)限期地保持有效，這樣會(huì)使得一個(gè)從外設(shè)能夠?qū)valon總線永久“掛起”，其連接關(guān)系和時(shí)序關(guān)系如圖4所示。同理，數(shù)據(jù)接收電路采用具有外設(shè)控制等待周期的從端口讀傳輸模式，可以將串轉(zhuǎn)并后的數(shù)據(jù)送入到NiosII中進(jìn)行處理。


　　
　　軟件設(shè)計(jì)

　　基于NiosII的C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，可以采用單線程模式，也可采用uc/基于NiosII的C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，可以采用單線程模式，也可采用uc/OSII多任務(wù)操作系統(tǒng)。這里對(duì)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)處理主要采用以下指令實(shí)現(xiàn)，“IORD(base, 1)”讀指令，其中base就是需要讀取的外設(shè)基地址，數(shù)據(jù)接收電路作為外設(shè)在建立SOPC Builder時(shí)定義的名稱(chēng)為“user_uart_rxd”,則base應(yīng)改為“user_uart_rxd_base”，而第2個(gè)參數(shù)‘1’表示其偏移地址；“IOWR(base, 1, data)”寫(xiě)指令，其中base是需寫(xiě)入外設(shè)基地址，數(shù)據(jù)發(fā)送電路作為外設(shè)在建立SOPC Builder時(shí)定義的名稱(chēng)為“user_uart_txd”, 則base應(yīng)改為“user_uart_txd_base”，而第2個(gè)參數(shù)‘1’表示其偏移地址，第3個(gè)參數(shù)data是發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　計(jì)算機(jī)仿真波形如圖5、圖6所示。它們之間的時(shí)序關(guān)系參照本文的第二部分。

　　結(jié)語(yǔ)

　　運(yùn)用此5Mbit/s的UART進(jìn)行通信，效果十分穩(wěn)定、可靠性高，傳輸速度快，采用RS485接口模式傳輸距離遠(yuǎn)，同時(shí)不易被干擾以至出現(xiàn)誤碼、丟數(shù)據(jù)、丟幀等情況。因此采用SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型化、集成化和高可靠性，還可以減少風(fēng)險(xiǎn)、降低成本、縮短開(kāi)發(fā)周期。