基于Wishbone總線的UART IP核設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于Wishbone總線的UART IP核的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)采用了自頂向下的模塊化劃分和有限狀態(tài)機(jī)相結(jié)合的方法，由于其應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)的Wishbone總線接口，從而使微機(jī)系統(tǒng)與串行設(shè)備之間的通信更加靈活方便。驗(yàn)證結(jié)果表明，這種新的架構(gòu)設(shè)計(jì)是有效的。
關(guān)鍵詞：Wishbone總線；UART；有限狀態(tài)機(jī)；IP核

    隨著集成電路與嵌入式技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，許多嵌入式系統(tǒng)都需要進(jìn)行串行通信，因此在片上嵌入式系統(tǒng)芯片中集成uART(通用異步接發(fā)裝置)的IP核已成為一種趨勢(shì)。
    在基于IP核復(fù)用技術(shù)的集成電路設(shè)計(jì)中，片上總線的選取是最為關(guān)鍵的問題。目前，許多廠商已經(jīng)開發(fā)了適用于各自片上總線標(biāo)準(zhǔn)的UART IP核，例如基于AMBA總線的UART IP核、基于CoreConnect總線的UART IP核等。如果用戶要使用這些商業(yè)化的UART核，則需要得到授權(quán)。因此從成本、性能、開放性的角度來看，采用開源、易于實(shí)現(xiàn)的Wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出的UART IP核將會(huì)擁有廣泛的市場(chǎng)。

1 UART IP核的設(shè)計(jì)原理
1．1 UART工作原理
    通用非同步收發(fā)裝置(UART)是計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信的重要組成部分。它將微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行輸出數(shù)據(jù)流，以電平的形式傳輸出去；將微機(jī)系統(tǒng)外部傳送來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用；在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗(yàn)位，并對(duì)從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)；在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除狀態(tài)標(biāo)記。
    對(duì)于UART而言，總線上的所有信號(hào)都是至關(guān)重要的。這些信號(hào)包括所需的控制信息和數(shù)據(jù)。因此總線接口的設(shè)計(jì)決定著UART的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用Wishbone總線作為UART核與微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信的主機(jī)接口。UART核的接口信號(hào)如圖1所示。

1．2 Wishbone總線接口
    在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Wishbone總線結(jié)構(gòu)是一種靈活、開源的設(shè)計(jì)方法。其目的是促進(jìn)設(shè)計(jì)的再利用，簡(jiǎn)化系統(tǒng)級(jí)芯片的集成問題。通過在IP核之間創(chuàng)建一個(gè)總線接口，從而將各個(gè)IP核能方便地進(jìn)行連接。這就提高了設(shè)計(jì)的可復(fù)用性和系統(tǒng)的可靠性，加快了產(chǎn)品推向市場(chǎng)的速度。在此之前，IP核之間都是使用非標(biāo)準(zhǔn)的總線規(guī)范進(jìn)行連接的，這就難以實(shí)現(xiàn)復(fù)用。因此采用標(biāo)準(zhǔn)化的E總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)IP核，已成為IC設(shè)計(jì)行業(yè)的主流。
    在設(shè)計(jì)中，Wishbone總線為微機(jī)系統(tǒng)和UART控制器提供了操作接口。Wishbone總線接口的主要功能是協(xié)調(diào)處理器和UART核之間的信號(hào)，使處理器能正確地使用UART核進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2 UART IP核的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    UART IP核的研發(fā)是遵照RS232協(xié)議和Wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，集成了UART的基本功能。
    UART IP核的主要技術(shù)特征包括：
    (1)支持標(biāo)準(zhǔn)RSR232接口標(biāo)準(zhǔn)和Wishbone總線規(guī)范。
    (2)全雙工獨(dú)立收發(fā)功能。
    (3)接收通道進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，溢出，產(chǎn)生可選中斷。
    (4)內(nèi)置支持接收和發(fā)送的16 Byte FIFO。
    (5)發(fā)送“空”產(chǎn)生可選中斷，接收“滿”產(chǎn)生可選中斷。
    UART IP核體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    UART IP核內(nèi)部主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊以及Wishbone總線接口模塊。各模塊的設(shè)計(jì)如下。
2．1 Wishbone總線接口模塊設(shè)計(jì)
    Wishbone總線接口模塊將UART IP核與微機(jī)系統(tǒng)相連。該模塊提供Wishbone Master和Wishbone Slave接口。
    Wishbone總線接口模塊的主要功能如下：
    (1)提供UART IP核與其他設(shè)備的接口，如存儲(chǔ)器或者主機(jī)的接口。
    (2)包含緩沖描述符(儲(chǔ)存于內(nèi)部RAM)。
    (3)包含信號(hào)在主機(jī)時(shí)鐘、發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘之間的同步邏輯。
    (4)發(fā)送功能。讀取發(fā)送緩沖描述符，讀取數(shù)據(jù)到發(fā)送FIFO并開始發(fā)送，其后將發(fā)送狀態(tài)寫到發(fā)送緩沖描述符。
    (5)接收功能。讀取接收緩沖描述符，將獲得的字節(jié)寫入接收FIFO，其后通過Wishbone Muter接口與微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。最后，將接收狀態(tài)寫到接收緩沖描述符。
    當(dāng)處理器需要串行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)以包的形式存儲(chǔ)于主存儲(chǔ)器中，然后將存儲(chǔ)的所有包的起始地址、目的地址、長(zhǎng)度以及發(fā)送控制信息寫入發(fā)送描述符中。
    Wishbone接口模塊讀取到一個(gè)非空的發(fā)送描述符后即發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)要通過Wishbone接口邏輯訪問位于總線上的主存儲(chǔ)器，讀取到的數(shù)據(jù)首先放到發(fā)送FIFO中，其后再通過發(fā)送控制和同步邏輯與數(shù)據(jù)發(fā)送模塊進(jìn)行握手，將數(shù)據(jù)從TX_O端口串行發(fā)送出去。
    當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)由RX_I端口串行地移入接收FIFO中，每收滿8位數(shù)據(jù)就移入接收保持寄存器，然后通過Wishbone總線并行傳輸給處理器核。
2．2 數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)
    由于外部信號(hào)是通過異步串行的形式傳輸，因此當(dāng)接收端口檢測(cè)到一個(gè)由高到低的數(shù)據(jù)就被視為一個(gè)幀的起始位。為了避免接收信號(hào)的噪聲而產(chǎn)生的不正確的數(shù)據(jù)，檢測(cè)到的起始位時(shí)鐘至少要低于50％的波特率時(shí)鐘。接收模塊一旦接收到有效的起始位，就將通過RS232標(biāo)準(zhǔn)的波特率對(duì)數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位進(jìn)行采樣。
    設(shè)計(jì)采用接收狀態(tài)機(jī)控制整個(gè)模塊的接收過程。接收狀態(tài)機(jī)可分為5個(gè)狀態(tài)，即IDLE、RX_START、RX_DATA、CHECK、RX_STOP，它們之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，如圖3所示。

    IDLE狀態(tài)：當(dāng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)或運(yùn)行至停止?fàn)顟B(tài)之后，接收狀態(tài)機(jī)將復(fù)位到這種狀態(tài)。處于IDLE狀態(tài)時(shí)，它等待外部傳來的信號(hào)從高向低轉(zhuǎn)變，此時(shí)視為產(chǎn)生了一個(gè)有效的起始位。一旦有效起始位被檢測(cè)到，有限狀態(tài)機(jī)就會(huì)切換到下個(gè)狀態(tài)。
    RX_DATA狀態(tài)：當(dāng)狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到此狀態(tài)時(shí)，采樣每得到一位數(shù)據(jù)，就把接收到數(shù)據(jù)放到準(zhǔn)備好的接收移位寄存器中。在設(shè)計(jì)中需要一個(gè)接收計(jì)數(shù)器來進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器提示數(shù)據(jù)接收已完成，則狀態(tài)機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)入下個(gè)狀態(tài)。
    CHECK狀態(tài)：當(dāng)處于CHECK狀態(tài)時(shí)，通過對(duì)實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷得出實(shí)際數(shù)據(jù)的奇偶性，然后再與發(fā)送過來的數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。
    如果符合，那么表示接收數(shù)據(jù)有效，可以傳入處理器；如不符，則不傳，直接丟棄數(shù)據(jù)。
    RX_STOP狀態(tài)：無論停止位長(zhǎng)度設(shè)定為1位或者是2位，有限狀態(tài)機(jī)總是等待1位樣本的采樣時(shí)間，然后抽樣停止位。只要一個(gè)邏輯采樣停止位被檢測(cè)到，數(shù)據(jù)接收模塊就不會(huì)去檢查是否停止位的配置出現(xiàn)錯(cuò)誤。此時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)將返回IDLE狀態(tài)。
2．3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設(shè)計(jì)
    發(fā)送模塊將從處理器接收到的數(shù)據(jù)，加上起始位，奇偶檢驗(yàn)位和停止位組成規(guī)定的格式后串行輸出。首先，利用緩存器FIFO存放需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣處理器可以一次往FIFO中寫入多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)依次從FIFO中每次取出1Byte進(jìn)行串行輸出。
    設(shè)計(jì)采用發(fā)送狀態(tài)機(jī)來控制整個(gè)模塊的發(fā)送過程。發(fā)送狀態(tài)機(jī)由以下5個(gè)狀態(tài)組成：IDLE、TX_START、TX_DATA、CHECK、TX_STOP，它們的轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖4所示。

    IDLE狀態(tài)：在沒有接收到將要發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送模塊一直處于該狀態(tài)，此刻一直保持發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)位為高，當(dāng)?shù)玫街鳈C(jī)發(fā)出的工作信號(hào)時(shí)，發(fā)生狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，進(jìn)入下個(gè)狀態(tài)。
    TX_START狀態(tài)：發(fā)送模塊會(huì)先發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)“0”，作為起始位。起始位傳送完畢后，轉(zhuǎn)入下個(gè)狀態(tài)。
    TX_DATA狀態(tài)：發(fā)送完起始位后，接著發(fā)送由主機(jī)傳來的有效數(shù)據(jù)。首先把數(shù)據(jù)存入模塊內(nèi)的移位寄存器中，利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)并行輸入到串行輸出的轉(zhuǎn)換。同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，計(jì)數(shù)器清零，F(xiàn)SM隨即跳入下個(gè)狀態(tài)。
    CHECK狀態(tài)：當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于這個(gè)狀態(tài)，最后1位數(shù)據(jù)仍然在傳輸。傳輸完成時(shí)，狀態(tài)機(jī)將判斷校驗(yàn)位。如果校驗(yàn)位無誤，則進(jìn)入下個(gè)狀態(tài)。
    TX_STOP狀態(tài)：在此狀態(tài)下，根據(jù)發(fā)送模塊的采樣結(jié)果，將設(shè)置相關(guān)中斷和狀態(tài)位。發(fā)送完畢后，狀態(tài)機(jī)返回IDLE狀態(tài)。

3 UART IP核的驗(yàn)證方法
    對(duì)UART IP核的驗(yàn)證主要是在Modelsim軟件構(gòu)建的虛擬平臺(tái)中進(jìn)行的，通過編寫Testbench(測(cè)試代碼)作為激勵(lì)信號(hào)，將得到的值與期望值進(jìn)行比較，從而判斷功能是否正確。驗(yàn)證系統(tǒng)框圖，如圖5所示。

    本次驗(yàn)證施加的測(cè)試激勵(lì)包括兩個(gè)部分，一部分是模擬發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，如總線對(duì)于模塊內(nèi)部寄存器的讀信號(hào)，UART串口輸出信號(hào)和設(shè)備的硬件接口信號(hào)等，驗(yàn)證模塊的正常功能是否實(shí)現(xiàn)；另一部分是模擬接收數(shù)據(jù)的過程，如外部設(shè)備對(duì)UART發(fā)送的數(shù)據(jù)接收過程，以及UART  將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)送給微機(jī)系統(tǒng)。仿真波形圖，如圖6所示。

    仿真波形圖模擬的是UART在全雙工的模式下同時(shí)接收一個(gè)完整的數(shù)據(jù)(51，16進(jìn)制)和發(fā)送一個(gè)完整的數(shù)據(jù)(11，16進(jìn)制)的過程。以接收過程為例：UART首先輸出發(fā)送UART_INT中斷信號(hào)，通知處理器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，處理器響應(yīng)中斷。UART通過采樣脈沖(Baud)將信號(hào)寫入RX_UDR接收寄存器中，同時(shí)接收計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到8時(shí)自動(dòng)清零，中斷信號(hào)自動(dòng)清除，隨后將接收到的8位數(shù)據(jù)通過總線模塊傳入處理器中。發(fā)送過程為接收的逆過程。

4 結(jié)束語
    IP核重用技術(shù)以及接口標(biāo)準(zhǔn)化問題是IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓展。本文介紹的基于Wishbone總線的UART IP核的設(shè)計(jì)方法，通過驗(yàn)證表明了各項(xiàng)功能達(dá)到預(yù)期要求，為IP核接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。此外，該IP核代碼全部采用模塊化的Verilog-HDL語言編寫，便于以后不斷完善，具有較強(qiáng)的實(shí)際效益。