基于FPGA和SC16C554實(shí)現(xiàn)多串口通信的方法

　　3．2 讀串口數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

　　一個(gè)完整的讀取串口數(shù)據(jù)操作需要進(jìn)行三次讀操作：讀中斷狀態(tài)寄存器(ISR)、讀線狀態(tài)寄存器(LSR)、讀接收保存寄存器(RHR)。由于這三次讀操作具有嚴(yán)格的邏輯順序和時(shí)序關(guān)系，非常適合采用狀態(tài)機(jī)來描述；所以本設(shè)計(jì)采用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)讀取串口數(shù)據(jù)。圖2為讀通道A數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

　　State0：空閑狀態(tài)，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)時(shí)狀態(tài)機(jī)一直停留在空閑狀態(tài)；

　　State 1：賦IsR寄存器地址給UART_A，置通道標(biāo)志寄存器CS[2：O]=001(表示A通道)；

　　State2：讀ISR，判斷中斷類型(04為接受數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷)，賦LSR寄存器地址給UART、A；

　　State3：讀LSR，判斷是否有數(shù)據(jù)(LSR[0]=1表示有數(shù)據(jù)在RHR內(nèi))，賦RHR寄存器地址給UART A；

　　State4：讀RHR，讀取串口數(shù)據(jù)。

　　多通道工作時(shí)，可以通過增加狀態(tài)機(jī)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。完成一個(gè)通道的讀數(shù)操作需要四個(gè)狀態(tài)，當(dāng)四個(gè)通道同時(shí)工作時(shí)，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)需要增加到17個(gè)。其中Stare5~State8完成對(duì)通道B的操作；其中State9~State12完成對(duì)通道C的操作；其中State13~State16完成對(duì)通道D的操作。

　　3．3 讀時(shí)序設(shè)計(jì)

　　SC16C554的通用讀時(shí)序圖如下：

　　其中t6s=0ns t6h=0ns t7h=0ns t7d=10ns t7w=26nst9d=20ns t12h=15ns都為最小值，t12d max="26ns由圖3可以看出"：對(duì)串口進(jìn)行一次讀操作所需的時(shí)間T=t6s+t7d+t7w+t9d所以T最小為56ns。本設(shè)計(jì)采用60MHz時(shí)鐘分頻出10MHz時(shí)鐘，在一個(gè)1OMHz時(shí)鐘周期(100ns)內(nèi)完成一次讀操作。用6 0 MH z時(shí)鐘同步一個(gè)計(jì)數(shù)器cscount[2：0]，在第一個(gè)6 0MH z時(shí)鐘的上升沿(cs_count=3’b000時(shí))置CS為低，并賦對(duì)應(yīng)的地址給UART A；在第二個(gè)60MHz時(shí)鐘的上升沿(cs_cout=3’b001時(shí))置UART IOR為低；在第四個(gè)60MHz時(shí)鐘的上升沿(cs_count=3’b011時(shí))置CS、UART IOR為高。這樣UART IOR有效時(shí)間為兩個(gè)時(shí)鐘周期(33ns)，且比CS延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期(17ns)，完全滿足圖3讀時(shí)序的要求。

　　由圖2可知，由空閑狀態(tài)State0到完成一次串口數(shù)據(jù)的讀取，共需要500ns的時(shí)間。這樣多通道工作時(shí)連續(xù)完成四個(gè)通道的讀數(shù)操作共需2μs，遠(yuǎn)小于單個(gè)通道連續(xù)兩個(gè)中斷產(chǎn)生的時(shí)間間隔65μs；這樣有效解決了多通道工作時(shí)，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)的過程中其它通道中斷丟失的問題。如：當(dāng)讀通道A數(shù)據(jù)的過程中，通道B產(chǎn)生中斷請(qǐng)求；則狀態(tài)機(jī)完成通道A數(shù)據(jù)讀取返回到空閑狀態(tài)State0，檢測(cè)到INTB為高，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)(State5)進(jìn)行通道B的數(shù)據(jù)接收。

　　4 測(cè)試結(jié)果及分析

　　我們分別對(duì)兩種方案進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下：表2為完全基于DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信性能測(cè)試；表3為基于FPGA接收串口數(shù)據(jù)的通信性能測(cè)試。

　　波特率發(fā)送周期數(shù)據(jù)長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果

　　比較兩種方案的測(cè)試結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

　　1單通道工作時(shí)：兩種方案的通信性能是一樣的。

　　2多通道同時(shí)工作時(shí)：由表2測(cè)試結(jié)果可以看出，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量過大、或發(fā)送周期較小時(shí)，由于DSP對(duì)串口芯片中斷請(qǐng)求的處理速度問題就會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。由表3測(cè)試結(jié)果可以看出，四通道工作時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為64字節(jié)，通道發(fā)送周期最小可達(dá)10ms；如果發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度減小，通道發(fā)送周期還可以更小。該設(shè)計(jì)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于方案改進(jìn)前完全基于DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的性能；能滿足系統(tǒng)實(shí)際工作的需要。

　　5 結(jié)束語

　　基于FPGA接收數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：1、極大提高了對(duì)串口中斷的響應(yīng)速度，避免了多通道工作、完全基于DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)大量丟失的情況；2、完全可編程設(shè)置DSP中斷產(chǎn)生條件，解決了原來串口芯片只有1、4、8、14字節(jié)四個(gè)觸發(fā)深度的限制，可編程設(shè)置存儲(chǔ)空間范圍內(nèi)的任意字節(jié)的觸發(fā)深度，大大減少了DSP的中斷數(shù)量，提高了DSP的工作效率。另外程序具有較強(qiáng)的可移植性，當(dāng)設(shè)計(jì)需要修改時(shí)，只需修改少量代碼，有效降低了設(shè)計(jì)周期。