基于FPGA的UART控制器的多模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　異步串行通信要求的傳輸線少，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)，被廣泛應(yīng)用于微機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)交換。實(shí)現(xiàn)串口通信主要需要完成兩部分工作：

　　將串口電平轉(zhuǎn)換為設(shè)備電路板的工作電平，即實(shí)現(xiàn)RS-232電平和TTL/CMOS電平的轉(zhuǎn)換;

　　接收并且檢驗(yàn)串行的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)變成并行的并提供給處理器處理。

　　實(shí)現(xiàn)RS-232電平和TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換可以用接口芯片來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行到并行轉(zhuǎn)換用的是UART，它們是實(shí)現(xiàn)串行通信必不可少的兩個部分。雖然目前大部分處理器芯片中都集成了UART，但是一般FPGA芯片卻沒有這個特點(diǎn)，所以使用FPGA作為處理器可以有兩個選擇，第一個選擇是使用UART芯片進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，第二個選擇是在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)UART功能。但所有的UART芯片都存在引腳較多、體積較大、與其他器件的接口較為復(fù)雜等缺點(diǎn)，從而會使設(shè)計(jì)的成本和難度增加。因此可以將需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部，而利用VHDL語言將UART的核心功能集成，不僅解決傳統(tǒng)芯片的缺點(diǎn)，也使整個設(shè)計(jì)更加緊湊、穩(wěn)定且可靠。

　　1、UART實(shí)現(xiàn)原理

　　UART主要有UART內(nèi)核、信號監(jiān)測器、移位寄存器、波特率發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、總線選擇器和奇偶校驗(yàn)器總共7個模塊組成，如圖一所示。

　　UART各個模塊的功能如下：

　　(1)UART內(nèi)核模塊

　　UART內(nèi)核模塊是整個設(shè)計(jì)的核心。在數(shù)據(jù)接收時，UART內(nèi)核模塊負(fù)責(zé)控制波特率發(fā)生器和移位寄存器，使得移位寄存器在波特率始終的驅(qū)動下同步的接收并且保存RS-232接收端口上的串行數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送時，UART內(nèi)核模塊首先根據(jù)待發(fā)送的數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)位的設(shè)置產(chǎn)生完整的發(fā)送序列(包括起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位)，之后控制移位寄存器將序列加在到移位寄存器的內(nèi)部寄存器里，最后再控制波特率發(fā)生器驅(qū)動移位寄存器將數(shù)據(jù)串行輸出。

　　(2)信號監(jiān)督器模塊

　　信號檢測器用于對RS-232的輸入信號進(jìn)行實(shí)時檢測，一旦發(fā)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)則立即通知UART內(nèi)核。

　　(3)移位寄存器模塊

　　移位寄存器的作用是存儲輸入或者輸出的數(shù)據(jù)。當(dāng)UART接受RS-232輸入時，移位寄存器在波特率模式下采集RS-232輸入信號，并且保存結(jié)果;當(dāng)UART進(jìn)行RS-232輸出時，UART內(nèi)核首先將數(shù)據(jù)加載到移位寄存器內(nèi)，再使移位寄存器在波特率模式下將數(shù)據(jù)輸出到RS-232輸出端口上。

　　(4)波特率發(fā)生器模塊

　　由于RS-232傳輸必定是工作在某種波特率下，比如9600，為了便于和RS-232總線進(jìn)行同步，需要產(chǎn)生符合RS-232傳輸波特率的時鐘，這就是波特率發(fā)生器的功能。

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　　(5)奇偶檢驗(yàn)器模塊

　　奇偶校驗(yàn)器模塊是根據(jù)奇偶校驗(yàn)的設(shè)置和輸入數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的奇偶校驗(yàn)位，它是通過純組合邏輯實(shí)現(xiàn)的。

　　(6)總線選擇模塊

　　總線選擇模塊用于選擇奇偶校驗(yàn)器的輸入是數(shù)據(jù)發(fā)送總線還是數(shù)據(jù)接收總線。在接收數(shù)據(jù)時，總線選擇模塊將數(shù)據(jù)接收總線連接到奇偶校驗(yàn)器的輸入端，來檢查已接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位是否正確;而在發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線選擇模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送總線連接到奇偶檢驗(yàn)器的輸入端，UART內(nèi)核模塊就能夠獲取并且保存待發(fā)送序列所需的奇偶校驗(yàn)位了。

　　(7)計(jì)數(shù)器模塊

　　計(jì)數(shù)器模塊的功能是記錄串行數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收的數(shù)目，在計(jì)數(shù)到某數(shù)值時通知UART內(nèi)核模塊。

　　2、UART工作流程

　　UART的工作流程可以分為接收過程和發(fā)送過程兩部分。

　　接收過程指的是UART監(jiān)測到RS-232總線上的數(shù)據(jù)，順序讀取串行數(shù)據(jù)并且將其輸出給CPU的過程。當(dāng)信號監(jiān)測器監(jiān)測到新的數(shù)據(jù)(RS-232輸入邏輯變?yōu)?，即RS-232傳輸協(xié)議的起始位)就會觸發(fā)接收過程，其流程圖如圖二所示。首先UART內(nèi)核會重置波特率發(fā)生器和移位寄存器，并且設(shè)置移位寄存器的工作模式為波特率模式，以準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。其次，移位寄存器在波特率始終的驅(qū)動下工作，不斷讀取RS-232串行總線的輸入數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部的寄存器內(nèi)。接收完成后，UART內(nèi)核會對已接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶檢驗(yàn)并且輸出校驗(yàn)結(jié)果。最后，UART內(nèi)核會重置信號監(jiān)測器，以準(zhǔn)備進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)接收。

　　發(fā)送過程由加載和發(fā)送兩個步驟組成，如圖三所示。加載步驟是UART內(nèi)核按RS-232串行發(fā)送的順序?qū)⑵鹗嘉弧?shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位加載到移位寄存器內(nèi)，這個過程工作在系統(tǒng)時鐘下，相對于RS-232的傳輸速度來說非?？臁Ｍ瓿杉虞d步驟后，UART內(nèi)核會重置波特率發(fā)生器，并且設(shè)置移位寄存器工作在波特率模式下，于是移位寄存器便在波特率時鐘的驅(qū)動下依次將加載的數(shù)據(jù)發(fā)送到RS-232的發(fā)送端TxD，這樣便產(chǎn)生了RS-232的數(shù)據(jù)發(fā)送時序。

　　3、UART各個模塊的實(shí)現(xiàn)

　　除UART內(nèi)核模塊以外，其他模塊都較為簡單，用于實(shí)現(xiàn)某一具體功能?，F(xiàn)在重點(diǎn)對UART內(nèi)核模塊的實(shí)現(xiàn)做出介紹。

　　UART內(nèi)核模塊的功能是控制數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)加載和數(shù)據(jù)發(fā)送的過程，這可以用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。下面就按接收和發(fā)送的過程來介紹UART內(nèi)核模塊狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

　　(1)數(shù)據(jù)接收過程

　　數(shù)據(jù)接收過程的流程圖如圖二所示，可以定義3個狀態(tài)——空閑、接收和接收完成，其中狀態(tài)變換圖如圖四所示。

　　(2)數(shù)據(jù)加載和發(fā)送過程

　　數(shù)據(jù)加載和發(fā)送過程都是為了發(fā)送數(shù)據(jù)而設(shè)定的，所以將它們放在一起進(jìn)行介紹?？梢杂?個狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)上述的過程，即空閑、加載、發(fā)送和發(fā)送完成，其中的空閑狀態(tài)就是UART內(nèi)核復(fù)位后的空閑狀態(tài)，和上面介紹的數(shù)據(jù)接收過程的空閑狀態(tài)一致。

　　數(shù)據(jù)加載和發(fā)送過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖五所示。

　　4、仿真結(jié)果

　　在波特率為9600情況下對UART進(jìn)行仿真，結(jié)果穩(wěn)定可靠。該設(shè)計(jì)具有很好的可讀性和靈活性，具有很好的參考價值。