基于FPGA的UART IP核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的UART核，該核符合串行通信協(xié)議，具有模塊化、兼容性和可配置性，適合于SoC應(yīng)用。設(shè)計(jì)中使用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言在Xilinx ISE環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真，最后在FPGA上嵌入U(xiǎn)ART IP核實(shí)現(xiàn)了電路的異步串行通信功能。 
關(guān)鍵詞：IP核；UART；Verilog HDL；FPGA 

Abstract：This article introduces the design of a UART core based on FPGA. According to the protocol of serial communication, this core has the characteristic of modularity and configurability, and is ideal for SoC(system on a chip). Verilog hardware description language (HDL) in the Xilinx ISE environment has been used for its design, compilation and simulation. The UART IP core has been implemented using FPGA technology.

Keywords：IP core；UART；Verilog HDL；FPGA

1 引言

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 常需要進(jìn)行異步串行數(shù)據(jù)傳輸，目前廣泛使用的RS232異步串行接口，如8250、NS16450等專用集成芯片，雖然使用簡(jiǎn)單，卻有占用電路體積、引腳連接復(fù)雜等缺點(diǎn)。SoC(System on Chip，片上系統(tǒng))是ASIC設(shè)計(jì)中的新技術(shù)，是以嵌入式系統(tǒng)為核心，以IP 復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，集軟、硬件于一體的設(shè)計(jì)方法。使用IP復(fù)用技術(shù)，將UART集成到FPGA芯片上，可增加系統(tǒng)的可靠性，縮小PCB板體積；其次由于IP核的特點(diǎn)，使用IP核可使整個(gè)系統(tǒng)更加靈活，還可以根據(jù)需要進(jìn)行功能的升級(jí)、擴(kuò)充和裁減。

本文使用Verilog HDL語(yǔ)言編寫UART模塊，將其集成到FPGA芯片上，與芯片上的其它功能模塊構(gòu)成SoC片上系統(tǒng)。

2         UART模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

UART串行數(shù)據(jù)格式如圖1所示，串行數(shù)據(jù)包括8位數(shù)據(jù)（8 data bits）、1位起始位(start bit)、1位結(jié)束位(stop bit)、1位校驗(yàn)位(parity bit)，共11位。

圖1. UART數(shù)據(jù)格式

UART模塊結(jié)構(gòu)如圖２所示，左邊發(fā)送鎖存器、發(fā)送移位寄存器和邏輯控制組成發(fā)送模塊（txmit），右邊接收鎖存器、接收移位寄存器和邏輯控制組成接收模塊（rxcver）。發(fā)送模塊和接收模塊除了共用復(fù)位信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和并行數(shù)據(jù)線外，分別有各自的輸入、輸出和控制邏輯單元。

 

圖2. UART模塊結(jié)構(gòu)

2.1 波特率時(shí)鐘的控制

UART核包含一個(gè)可編程的波特率發(fā)生器，它給發(fā)送模塊和接收模塊提供發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘mclkx16是串行數(shù)據(jù)波特率的16倍。它對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)n分頻，計(jì)算公式為：mclkx16=系統(tǒng)時(shí)鐘/波特率*16，針對(duì)不同波特率設(shè)定相應(yīng)的數(shù)值就可以得到期望的內(nèi)部波特率時(shí)鐘。

2.2 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

       發(fā)送模塊分為三種模式：空閑模式、載入數(shù)據(jù)模式、移位模式。當(dāng)并行8位數(shù)據(jù)從總線寫入發(fā)送模塊后，發(fā)送模塊將并行數(shù)據(jù)裝入鎖存器thr中，然后在移位寄存器tsr中將數(shù)據(jù)移位，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），以相應(yīng)波特率從tx發(fā)送。發(fā)送模塊的輸入時(shí)鐘mclkx16是串行數(shù)據(jù)波特率的16倍，模塊內(nèi)部將其16分頻后得到波特率時(shí)鐘txclk。

在發(fā)送時(shí)序圖中我們看到輸入數(shù)據(jù)為8’b00001111，校驗(yàn)位為奇校驗(yàn)，產(chǎn)生校驗(yàn)位為’1’。tx端依次輸出起始位’0’，8位數(shù)據(jù)’00001111’，校驗(yàn)位’1’。tsr移位寄存器中數(shù)據(jù)依次右移，高位在前兩次右移中補(bǔ)’1’，之后8次移位中高位補(bǔ)’0’。

下面是發(fā)送模塊主要程序段，使用Verilog HDL語(yǔ)言編寫。由于初始和移位程序比較簡(jiǎn)單，這里沒有給出。

always @(posedge txclk or posedge reset)

if (reset)

       idle_reset;                                          //初始程序

else

       begin

              if (txdone && txdatardy)

                     load_data;                            //將數(shù)據(jù)裝入tsr，并發(fā)送起始位

              else

            begin  

                     shift_data;                           // tsr8位數(shù)據(jù)移位，并產(chǎn)生校驗(yàn)位          

                 if (txdone )              

                   tx <= 1'b1;                      // 輸出停止位

                  else if (paritycycle)

                   tx <= txparity;               // 輸出校驗(yàn)位

                 else                      

                            tx <= tsr[0];       //輸出數(shù)據(jù)位

                  end

       end

圖3. 發(fā)送時(shí)序

2.3    接收模塊設(shè)計(jì)

接收模塊也分為三種模式：空閑模式、檢測(cè)起始位模式、移位模式。首先捕捉起始位，

在mclkx16時(shí)鐘下不斷檢測(cè)從rx端輸入數(shù)據(jù)的起始位，當(dāng)檢測(cè)到起始位后，接收模塊由空閑模式轉(zhuǎn)換為移位模式，并且16分頻mclkx16產(chǎn)生rxclk波特率時(shí)鐘。此時(shí)rxclk時(shí)鐘的上升沿位于串行數(shù)據(jù)每一位的中間，這樣接下來(lái)的數(shù)據(jù)在每一位的中點(diǎn)采樣，能有效濾除噪聲影響。然后由rxclk控制在上升沿將數(shù)據(jù)位寫入移位寄存器rsr的rsr[7]位，并且rsr右移1位，照此過(guò)程8位數(shù)據(jù)全部寫入rsr，并且停止產(chǎn)生rxclk波特率時(shí)鐘。判斷奇偶校驗(yàn)、幀結(jié)構(gòu)和溢出標(biāo)志正確后，rsr寄存器中的數(shù)據(jù)寫入rhr數(shù)據(jù)鎖存寄存器中，最后由8位數(shù)據(jù)總線輸出轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。

    rxclk時(shí)鐘的產(chǎn)生依靠判斷起始位，在起始位’0’的中點(diǎn)產(chǎn)生，并且在檢測(cè)到結(jié)束位后停止，如圖4所示。

                          圖4. 接收模塊波特率時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)序

接收移位程序段如下：

task shift_data;

       begin                                                                                             

       rsr         <= rsr >> 1;            // 寄存器右移一位 

      rsr[7]      <= rxparity;             // 數(shù)據(jù)裝入rsr[7]

      rxparity    <= rxstop;             

      rxstop      <= rx;                

      paritygen   <= paritygen ^ rxstop;     // 產(chǎn)生奇偶比較標(biāo)志

       end

endtask

由時(shí)序圖可以看到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀的接收過(guò)程，hunt和idle標(biāo)志捕捉到起始位后，產(chǎn)生rxclk波特率時(shí)鐘，串行數(shù)據(jù)在rsr中移位，rsr中數(shù)據(jù)右移高位補(bǔ)零。當(dāng)起始位’0’移位到rsr[0]后，接收模塊在下一個(gè)clk上升沿返回空閑狀態(tài)，返回空閑狀態(tài)后產(chǎn)生數(shù)據(jù)移位完成中斷rxrdy，數(shù)據(jù)可從8位數(shù)據(jù)總線讀出。

圖5. 接收時(shí)序

3  UART綜合

程序經(jīng)仿真驗(yàn)證后，須綜合生成IP核并嵌入FPGA中。使用Xilinx公司的Xilinx ISE工具綜合UART模塊，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的Spartan-IIE xc2s50E，系統(tǒng)時(shí)鐘40Mhz。經(jīng)Xilinx ISE綜合后，資源使用結(jié)果如下所示，表明使用少量FPGA的Slice和LUT單元就可生成UART核。

表1. 資源使用情況

UART核可靈活分成接收和發(fā)送兩部分，可根據(jù)需要選擇使用，節(jié)省系統(tǒng)資源；一些控制標(biāo)志字也可根據(jù)需要自行刪減和擴(kuò)充。最后將集成有UART核的FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與測(cè)試臺(tái)進(jìn)行異步串行通信實(shí)驗(yàn)，通信數(shù)據(jù)經(jīng)檢測(cè)表明使用UART核傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

4  結(jié)束語(yǔ)

    在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中經(jīng)常采用UART異步串行通信接口作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的短距離串行通信。相對(duì)于傳統(tǒng)的UART芯片來(lái)說(shuō)，集成在FPGA中的具有UART功能的IP核更有利于提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，縮小電路體積。本文設(shè)計(jì)的UART IP核通過(guò)仿真驗(yàn)證，經(jīng)綜合、編譯、嵌入FPGA，成功應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的端口通信中。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯伯亨, 顧新. VHDL硬件描述語(yǔ)言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 19991

[2] 張莉, 楊永明. 基于CPLD的UART設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息. 2002. 2(18): 60-61

[3] Xilinx, Inc. Spartan-IIE 1.8V FPGA Functional Description , 2003, 9

[4] 劉 達(dá), 龔建榮. 系統(tǒng)級(jí)可編程芯片(SOPC)設(shè)計(jì)思想與開發(fā)策略[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2002, (11): 124

[5] 周恒, 羅斯青. 基于FPGA的SOC設(shè)計(jì)策略[J]. 山西電子技術(shù), 2002, (11): 629