異步串行通信接口的IP核設(shè)計
關(guān)鍵詞：SCI IP核設(shè)計 狀態(tài)機 數(shù)據(jù)流
引言
目前，基于傳統(tǒng)IC芯片的微電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)正在轉(zhuǎn)向基于知識產(chǎn)權(quán)（IP，Intellectual Property）核的片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip）技術(shù)發(fā)展。另外，IC設(shè)計在國內(nèi)的發(fā)展很快，各種規(guī)模的IC設(shè)計中心和公司不斷出現(xiàn)。因此，IP核的設(shè)計已開始逐漸成為國內(nèi)微電子系統(tǒng)設(shè)計的一項支撐技術(shù)。從應(yīng)用功能角度劃分IP核有兩大類：微處理器IP核（如8位8051核、32位ARM核等）和各種接口IP核（如LCD控制器、各種串行總線接口IP核等）。本文以異步串行通信接口（SCI，Serial Communication Interface）接口IP核結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，說明SCI、UART、SPI、USB等接口IP核的設(shè)計方法。
SCI的通信方式采用標準NRZ格式來進行外設(shè)間的異步數(shù)字通信。因其結(jié)構(gòu)簡法，通常嵌入到DSP、MCU和MPU或外設(shè)控制芯片內(nèi)部，作為芯片的一個接口功能模塊。SCI通常由三個功能單元構(gòu)成：波特率脈沖產(chǎn)生單元、發(fā)送單元和接收單元。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在SCI數(shù)據(jù)收發(fā)中，數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)格式要比地址幀的數(shù)據(jù)格式復(fù)雜得多。在不同的通信方式下，數(shù)據(jù)幀的格式是不同 的。為此在發(fā)送器和接收器中各引入了與數(shù)據(jù)幀格式相對應(yīng)的狀態(tài)機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制。本文所介紹的就是基于這種設(shè)計思想的一種通用設(shè)計方法。
1 SCI數(shù)據(jù)發(fā)送單元
數(shù)據(jù)發(fā)送單元主要功能是完成數(shù)據(jù)的并/串轉(zhuǎn)換及發(fā)送，同時產(chǎn)生發(fā)送標志位。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，字符發(fā)送狀態(tài)機如圖3所示。下面簡要介紹發(fā)送單元各功能模塊及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
（1）TXD時鐘八分頻器
對基于波特率時鐘進行八分頻，并輸出兩個基本脈沖—TXD_CLK_WORK（用于計數(shù)、移位等）和TXD_CLK_END（用于標志位的生成和數(shù)據(jù)流輸出）。
（2）TXD狀態(tài)寄存器
通過此狀態(tài)寄存器設(shè)置通信控制寄存器2的兩個控制位—TXEMPTY和TXRDY位，以表示數(shù)據(jù)寫入SCI_TXBUF和啟動發(fā)送過程。
（3）發(fā)送字符計數(shù)器
當字符狀態(tài)機的輸出狀態(tài)為允許字符計數(shù)時，其開始對發(fā)送的字符計數(shù)。當計數(shù)器值等于編程的字符數(shù)時，輸出TX_CHAP_REACH信號作為字符狀態(tài)機激勵，使之進入非字符輸出狀態(tài)。
（4）發(fā)送空閑線計數(shù)器
當字符狀態(tài)機進入發(fā)送空閑線數(shù)據(jù)狀態(tài)時，開始工作。當計數(shù)到一定值時，輸出信號TX_IDLECOUT_REACH作為字符狀態(tài)機激勵，使之進入非空閑線數(shù)據(jù)計數(shù)狀態(tài)。
（5）發(fā)送數(shù)據(jù)流的形成
在TXBUF2SHIFT的高電平脈沖作用下，在SCI_TXBUF中待發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過選擇器選擇指定位數(shù)的數(shù)據(jù)送入SCI_TXSHIFT低位，不足的高位清“0”。與此同時，TXWAKE數(shù)據(jù)也送到WUT寄存器，在地址位模式情況下，由ADDR_IDLE控制在WUT中形成地址位；并由SCI_TXSHIFT數(shù)據(jù)位、地址位和奇偶方式位三者邏輯或形成奇偶校驗位。
（6）當前發(fā)送字符狀態(tài)機
在啟動、控制位、計數(shù)器溢出等激勵作用下，實現(xiàn)發(fā)送字符狀態(tài)的輸出和轉(zhuǎn)換。發(fā)送字符狀態(tài)機的激勵有：TXEMPTY（為“0”時啟動TXD發(fā)送）、ADDR_IDLE（地址/空閑線模式選擇位）、PARENA（奇偶校驗使能位）、STOPBIT（選擇1或2個停止位）、WUT（發(fā)送空閑位數(shù)據(jù)允許位）、TX_CHARCOUT_REACH（發(fā)送字符數(shù)目已夠位）、TX_IDLECOUT_REACH（發(fā)送空閑數(shù)目已夠位）。發(fā)送字符狀態(tài)機（見圖3）的狀態(tài)有：1為幀停止位（1位），3為幀第1停止位（2位），5為幀第2停止位（2位），8位幀起始位，9為待機狀態(tài)，A為幀數(shù)據(jù)位，B為空閑線模式起始位，C為幀地址位，E為幀奇偶校驗位，F(xiàn)為空閑線模式停止位，D為空閑線模式計數(shù)0～7。
2 SCI數(shù)據(jù)接收單元
數(shù)據(jù)接收單元的功能是完成串行數(shù)據(jù)接收及接收標志位的生成。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，接收起始位檢測和接收字符狀態(tài)機如圖5、圖6所示。
接收單元各功能模塊及狀態(tài)轉(zhuǎn)換說明如下。
（1）RXD時鐘八分頻器
對波特率時鐘進行八分頻，并保持其與所接收串行數(shù)據(jù)流的字符同步。其輸出兩個時鐘脈沖：RXD_CLK_WORK，用于計數(shù)、移位等；RXD_CLK_END，為數(shù)據(jù)流各種方式的停止位前一個字節(jié)時間段內(nèi)提供脈沖。
圖4 SCI數(shù)字接收單元
（2）起始位檢測模塊
是一種三位四狀態(tài)機。其激勵有兩個：RXD_1_VALUE—接收的串行數(shù)據(jù)流激勵；RXD_END_CHK—一次接收完畢的脈沖激勵。其狀態(tài)有如下幾種（見圖5）：0（待機狀態(tài)）、1（空狀態(tài)）、2（空狀態(tài)）、3（發(fā)現(xiàn)“1”到“0”的跳變狀態(tài)）、4（輸出時鐘同步信號）、5（字符接收過程中輸出RXD_CLK_AYN和RXD_START_DRV）。
（3）字符檢測模塊
主要功能是接收數(shù)據(jù)流。其在采樣時鐘驅(qū)動下數(shù)據(jù)流通過三個寄存器，隨后在RXD_CLK_WORK脈沖作用下，三個寄存器的數(shù)據(jù)通過表決電路，把數(shù)據(jù)送到接收數(shù)據(jù)緩沖器RXD_VALUE中，為把數(shù)據(jù)送到移位寄存器RX_SHIFT做準備。
（4）當前接收字符狀態(tài)機
用來標識當前所接收的數(shù)據(jù)是哪一種字符，以及在下一個RXD_CLK_WORK字符周期將轉(zhuǎn)換到哪一種狀態(tài)，并且根據(jù)當前接收字符的狀態(tài)，驅(qū)動其它部件進行合適的操作。其激勵有：RXD_START_DRV（RXD起始位有效激勵）、RX_CHAR_REACH（RXD字符接收數(shù)目已夠）、CCR3_ADDR_IDLE（地址/空閑線模式選擇）、CCR5_PARENA（奇偶校驗使能）。其狀態(tài)（見圖6）有：0（待機狀態(tài)）、1（幀數(shù)據(jù)位）、2（幀起始位）、3（幀地址位）、4（幀奇偶校驗位）、5（空狀態(tài)）、6（幀停止位）。
（5）接收字符計數(shù)器
當接收字符狀態(tài)機處于幀數(shù)據(jù)位階段時，其開始計數(shù)；當與可編程的數(shù)據(jù)相同時，輸出RX_CHAR_REACH給接收字符狀態(tài)機。
（6）接收空閑線計數(shù)器
當處于待機狀態(tài)時，開始計數(shù)器，當計數(shù)到一定時，輸出一個脈沖，將RXSP1_RXWAKE置位為1；在下一個字符即將接收、讀取SCI_RXBUF寄存器或SCI復(fù)位的情況下，RXST1_RXWAKE被復(fù)位為0。
（7）接收數(shù)據(jù)移位寄存器（SCI_RXSHIFT）
根據(jù)接收字符狀態(tài)機的狀態(tài)接收與檢測的串行數(shù)據(jù)流，將所接收的正確數(shù)據(jù)送入SCI_RXBUF并置相應(yīng)的標志，否則置出錯標志。
（8）BRKDT間斷檢測計數(shù)器
當產(chǎn)生RXST4_FE幀錯誤時，開始工作。當RXD_VALUE為“1”時，其被復(fù)位；當RXD_VALUE為“0”時，表示沒有數(shù)據(jù)接收，開始計數(shù)；當計到一定值時，輸出計數(shù)滿信號，此時間斷檢測標志RXST5_BRKDT被置位。
結(jié)語
綜上所述，在各種串行接口IP核設(shè)計中，可將其內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)劃分為控制和執(zhí)行兩大部分。其中，控制邏輯的設(shè)計采用以單極或多級狀態(tài)機為核心，并配合其各種激勵單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以做到結(jié)構(gòu)清晰，并可實現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯；執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計采用以控制邏輯輸出的狀態(tài)為中心，來設(shè)計數(shù)據(jù)選擇器或數(shù)據(jù)分配器，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的復(fù)雜流向（請見網(wǎng)絡(luò)補充版：www.dpj.com.cn）。
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