用FPGA器件實(shí)現(xiàn)UART核心功能的一種方法
串行外設(shè)都會(huì)用到RS232-C異步串行接口,傳統(tǒng)上采用專用的集成電路即UART實(shí)現(xiàn),如TI、EXAR、EPIC的550、452等系列,但是我們一般不需要使用完整的UART的功能,而且對(duì)于多串口的設(shè)備或需要加密通訊的場合使用UART也不是最合適的。如果設(shè)計(jì)上用到了FPGA/CPLD器件,那么就可以將所需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部,本人最近在用XILINX的XCS30做一個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候,就使用VHDL將UADT的核心功能集成了,從而使整個(gè)設(shè)計(jì)更加緊湊,更小巧、穩(wěn)定、可靠,下面就談?wù)勗O(shè)計(jì)方法。
分析UART的結(jié)構(gòu),可以看出UART主要由數(shù)據(jù)總線接口、控制邏輯和狀態(tài)接口、波特率發(fā)生器、發(fā)送和接受等部分組成,各部分間關(guān)系如圖一。
了解了UART的各部分組成結(jié)構(gòu)后,下面對(duì)各部分的功能進(jìn)行詳細(xì)的分析。我們假定所要設(shè)計(jì)的UART為:數(shù)據(jù)位為7位、8位可選,波特率可選,效驗(yàn)方式為奇、偶、無等效驗(yàn)方式,下面的分析都是在這個(gè)假定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
一、波特率發(fā)生部分
從圖一可以看出,UART的接收和發(fā)送是按照相同的波特率進(jìn)行收發(fā)的(當(dāng)然也可以實(shí)現(xiàn)成對(duì)的不同波特率進(jìn)行收發(fā)),波特率是可以通過CPU的總線接口設(shè)置的。UART收發(fā)的每一個(gè)數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘周期的16倍,即假定當(dāng)前按照9600bps進(jìn)行收發(fā),那么波特率發(fā)生器輸出的時(shí)鐘頻率應(yīng)為9600*16Hz,當(dāng)然這也是可以改變的,我們只是按照UART的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
我們假定提供的時(shí)鐘為1.8432MHz,那么可以很簡單地用CPU寫入不同的數(shù)值到波特率保持寄存器,然后用計(jì)數(shù)器的方式生成所需要的各種波特率,這個(gè)值的計(jì)算原則就是1843200/(16*所期望的波特率),如果希望輸出9600Hz的波特率,那么這個(gè)值就是1843200/(16*9600)=12(0CH)。
二、 發(fā)送部分
這里應(yīng)重點(diǎn)分析幾個(gè)問題:首先是何時(shí)CPU可以往發(fā)送保持寄存器(THR)寫人數(shù)據(jù)?也就是說CPU要寫數(shù)據(jù)到THR時(shí)必須判一個(gè)狀態(tài),當(dāng)前是否可寫?很明顯如果不判這個(gè)條件,發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò),除非CPU寫入THR的頻率低于當(dāng)前傳輸?shù)牟ㄌ芈?,而這種情況是極少出現(xiàn)的。其次是CPU寫入數(shù)據(jù)到THR后,何時(shí)THR的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送移位寄存器(TSR)并何時(shí)移位?即如何處理THR和TSR的關(guān)系?再次是數(shù)據(jù)位有7、8位兩種,校驗(yàn)位有三種形式,這樣發(fā)送一個(gè)字節(jié)可能有9、10、11位三種串行長度,所以我們必須按照所設(shè)置的傳輸情況進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)位、效驗(yàn)方式可以通過CPU寫一個(gè)端口來設(shè)置,發(fā)送和接受都根據(jù)這個(gè)設(shè)置進(jìn)行,由于這部分很簡單,所以我就不給出程序了。
根據(jù)上面的分析,引進(jìn)了幾個(gè)信號(hào):
bigin1、begin2:引入兩個(gè)附加移位,目的是為送出起始位、停止位而加入串行長度。
txdone7、txdone8:分別表示7、8位的結(jié)束標(biāo)志。Txdone<=txdone8 when“8bit”else txdone7;
Paritycycle7、paritycycle8:分別表示7、8位下的校驗(yàn)位。Parity<=parity8 when“8 bit”else parity7;
Writerdy:為0時(shí)表示CPU不能將數(shù)據(jù)寫入THR,為1時(shí)可以寫入。
這樣就可以得到以下信息:在移位時(shí)鐘的上升沿檢測到txdone和writerdy都為高電平時(shí),進(jìn)入LOAD狀態(tài)即將THR的數(shù)據(jù)LOAD到TSR,在下一個(gè)時(shí)鐘就進(jìn)入移位狀態(tài)。在移位中同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)位的運(yùn)算,在需要送出校驗(yàn)位的時(shí)候?qū)⑦\(yùn)算好的校驗(yàn)位送出,txdone=1的時(shí)候?qū)⒏唠娖剿统?,其它時(shí)候移位輸出。
最后還有一個(gè)小程序,那就是寫出writerdy的狀態(tài),很明顯沒數(shù)據(jù)寫入時(shí)為高,而當(dāng)txdone為低時(shí)為低,注意這里也必須同時(shí)同步。圖二給出了一個(gè)奇效驗(yàn)8bit數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)序圖。
三、 接受部分
對(duì)于接收同樣存在9、10、11位三種串行數(shù)據(jù)長度的問題,必須根據(jù)所設(shè)置的情況而將數(shù)據(jù)完整地取下來。接收還有一個(gè)特別的情況,那就是它的移位的時(shí)鐘不是一直存在的,這個(gè)時(shí)鐘必須在接受到起始位的中間開始產(chǎn)生,到停止位的中間結(jié)束。接受到停止位后,必須給出中斷,并提供相應(yīng)的校驗(yàn)出錯(cuò)、FRAME錯(cuò)以及溢出等狀態(tài)。
這樣需引入hunt和idle兩個(gè)信號(hào),其中hunt為高表示捕捉到起始位,idle為高表示不在移位狀態(tài),利用這兩個(gè)信號(hào)就可以生成接收所需要的移位時(shí)鐘。
下面還有一個(gè)小程序,就是如何將接收的狀態(tài)和標(biāo)志表示出來。溢出標(biāo)志很簡單,那就是在idle從低變高,也就是說在接收到一個(gè)完整的串行序列后,去判一下當(dāng)前的中斷是否有效?(高有效,數(shù)據(jù)沒有被讀走)如果為高那么溢出,否則沒有。在移位的時(shí)候,同時(shí)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),這樣就可以判斷接收的數(shù)據(jù)是否有錯(cuò),在接收完成時(shí)判一下當(dāng)前的RX是否為高電平就可以知道FRAME是否有錯(cuò),圖三是一個(gè)8bit奇校驗(yàn)的接收時(shí)序圖(假定接收正確,所以沒有給出校驗(yàn)、溢出、幀出錯(cuò)信號(hào))。
總結(jié):我在用FPGA做一個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候,由于還有資源而且正好用到UART,所以就根據(jù)對(duì)UART的認(rèn)識(shí)進(jìn)行了設(shè)計(jì),全部用VHDL進(jìn)行描述,用SPEEDWAVE進(jìn)行語言級(jí)的仿真,用XILINX的F2.1進(jìn)行頂層仿真,最后和PC的仿真終端進(jìn)行聯(lián)機(jī),功能一切正常,整個(gè)UART所需要的觸發(fā)器為80個(gè)左右,一般的PLD都可以完成。