基于FPGA的三線制同步串行通信控制器設(shè)計(jì)

摘  要： 為了簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)中的三線制同步串行通信擴(kuò)展接口，減小系統(tǒng)體積，降低系統(tǒng)功耗，通過(guò)研究三線制同步串行通信的原理，利用FPGA，結(jié)合硬件描述語(yǔ)言VHDL，設(shè)計(jì)了三線制同步串行通信控制器功能框架結(jié)構(gòu)，介紹了各組成模塊的功能及工作過(guò)程，并對(duì)該控制器IP核的接口信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)描述與定義，最后在Xilinx ISE和ModelSim SE平臺(tái)下對(duì)該控制器IP核進(jìn)行了綜合和功能仿真。

同步串行通信在航天工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，其中，三線制同步串行通信以其連線少、操作方便、通信速度快等特點(diǎn)，被成功應(yīng)用在與外圍串行設(shè)備的數(shù)據(jù)通信中。

目前大多數(shù)微控制器或微處理器都配置有同步串行通信接口，但含有三線制同步串行通信接口的微控制器或微處理器卻不多，因此在需要應(yīng)用三線制進(jìn)行通信的場(chǎng)合，就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三線制同步串行通信接口的擴(kuò)展，利用FPGA[2]可以實(shí)現(xiàn)三線制同步串行通信。由于FPGA具有工作速度高、可配置性強(qiáng)、靈活性好等突出優(yōu)點(diǎn)，可以滿足高速同步串行通信。根據(jù)三線制同步串行通信機(jī)制，通過(guò)采用Xilinx公司的FPGA器件[3]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三線制同步串行通信控制器的IP軟核。該控制器具有高速、易調(diào)試、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，有效利用了FPGA內(nèi)部硬件資源，減小了系統(tǒng)體積，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。

1 三線制同步串行通信機(jī)制介紹

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，有串行傳送和并行傳送兩種數(shù)據(jù)傳送方式。并行數(shù)據(jù)傳送中，數(shù)據(jù)在多條并行1 bit寬的傳輸線上同時(shí)由源端傳送到目的端，這種傳送方式也稱為比特并行或字節(jié)串行。串行數(shù)據(jù)傳送中，數(shù)據(jù)在單條1 bit寬的傳輸線上，逐位按順序分時(shí)傳送。

同步傳輸過(guò)程中，發(fā)送端和接收端必須使用共同的時(shí)鐘源才能保證它們之間的準(zhǔn)確同步。同步傳輸時(shí)，在幀同步脈沖信號(hào)觸發(fā)下，串行數(shù)據(jù)信息以連續(xù)的形式發(fā)送，每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)送1 bit數(shù)據(jù)。因此，同步傳輸時(shí)數(shù)據(jù)成批連續(xù)發(fā)送，信息字符間不留任何空隙，它嚴(yán)格按照約定的速率發(fā)送和接收。為達(dá)到接收和發(fā)送的準(zhǔn)確同步，通常在發(fā)送端利用編碼器把要發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送時(shí)鐘組合在一起，通過(guò)傳輸線發(fā)送到接收端，在接收端再用解碼器從數(shù)據(jù)流中分離出接收時(shí)鐘。常用的編碼解碼器有曼徹斯*和NRZ-L碼。

三線制同步串行通信采用的碼型為NRZ-L碼，其時(shí)序邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1三線制同步串行通信邏輯關(guān)系圖

三線制同步信號(hào)包括：幀同步信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和串行數(shù)據(jù)，通常采用中斷方式接收。串行數(shù)據(jù)接收或發(fā)送時(shí)，首先幀同步信號(hào)先觸發(fā)一個(gè)瞬時(shí)脈沖，之后保持低電平有效，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿保持穩(wěn)定，并開(kāi)始采樣，每個(gè)時(shí)鐘周期接收或者發(fā)送一位串行數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)接收或者發(fā)送完畢，系統(tǒng)再轉(zhuǎn)而處理其他相關(guān)操作。在數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的整個(gè)過(guò)程中，幀同步信號(hào)一直處于低電平不變。

2 三線制同步串行通信控制器IP核設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)最終目標(biāo)是用硬件描述語(yǔ)言VHDL[4]構(gòu)建一個(gè)三線制同步串行通信控制器，也就是建立一個(gè)基于FPGA實(shí)現(xiàn)的、可復(fù)用的IP核[5]。同時(shí)，可以將設(shè)計(jì)好的IP核保存，作為一個(gè)子模塊應(yīng)用于其他需要此模塊的系統(tǒng)中，從而減輕大型設(shè)計(jì)的工作量，縮短開(kāi)發(fā)周期。

2.1 三線制同步串行通信控制器IP核接口描述

本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是生成如圖2所示的IP核接口封裝。

圖2 三線制同步串行通信控制器IP 核接口封裝圖

其中，三線制同步串行通信控制器IP核接口信號(hào)定義如表1所示。該IP核共有全局信號(hào)管腳8個(gè)，接收接口信號(hào)管腳和發(fā)送接口信號(hào)管腳各3個(gè)。

表1三線制同步串行通信控制器IP核接口信號(hào)描述

2.2 三線制同步串行通信控制器IP核電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能，可將三線制同步串行通信控制器結(jié)構(gòu)劃分成幾個(gè)大的功能模塊，這些模塊獨(dú)自完成一定的任務(wù)，結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)通信控制器的整體功能。同時(shí)，劃分模塊功能后，可以更方便地用硬件描述語(yǔ)言VHDL對(duì)其進(jìn)行描述。

如圖3所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可將三線制同步串行通信控制器劃分成3個(gè)主要功能模塊：接口模塊、接收模塊和發(fā)送模塊。

圖3 三線制同步串行通信控制器結(jié)構(gòu)圖

(1)接口模塊：用于各種全局信號(hào)的邏輯組合譯碼控制。同時(shí)，對(duì)輸入的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘分頻，為接收模塊和發(fā)送模塊提供串行同步時(shí)鐘信號(hào)。

(2)接收模塊：用于接收外圍串行設(shè)備傳來(lái)的串行數(shù)據(jù)，此功能模塊的核心是接收FIFO和串/并變換兩大模塊，其中接收FIFO作為數(shù)據(jù)緩沖器暫存接收到的數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)標(biāo)志、接收移位寄存器和接收移位計(jì)數(shù)器的配合驅(qū)動(dòng)下，串行數(shù)據(jù)按照MSB先、LSB后的順序經(jīng)過(guò)串/并變換后，并行數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)于接收FIFO中，等待中斷響應(yīng)后CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(3)發(fā)送模塊：用于向外圍串行設(shè)備發(fā)送串行數(shù)據(jù)，此功能模塊的核心是發(fā)送FIFO和并/串變換兩大模塊。CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)先放到系統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)總線上，并被暫存于發(fā)送FIFO中，在響應(yīng)發(fā)送中斷信號(hào)后，并行數(shù)據(jù)按照MSB首發(fā)、LSB后發(fā)的順序，在控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)并/串變換，發(fā)送的數(shù)據(jù)最終以串行數(shù)據(jù)格式被送往外圍串行設(shè)備端口。

三線制同步串行通信控制器IP核實(shí)體名接口用VHDL語(yǔ)言定義如下：

ENTITY SerSendRec IS

PORT(  RST_n：IN STD_LOGIC；

Clk：IN STD_LOGIC；

Cs：IN STD_LOGIC；

Strobe：IN STD_LOGIC；

Rw：IN STD_LOGIC；

Addr：IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0)；

Rdata：IN STD_LOGIC；

Rclk：OUT STD_LOGIC；

Rgate：OUT STD_LOGIC；

Int：OUT STD_LOGIC；

Sdata：OUT STD_LOGIC；

Sclk：OUT STD_LOGIC；

Sgate：OUT STD_LOGIC；

Data：INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0))；

END SerSendRec；

3 仿真與驗(yàn)證

利用Xilinx ISE和ModelSim SE工具平臺(tái)對(duì)三線制同步串行通信控制器IP核進(jìn)行綜合和功能仿真。數(shù)據(jù)發(fā)送仿真波形如圖4所示，數(shù)據(jù)接收仿真波形如圖5所示?？梢钥闯觯抡娼Y(jié)果完全正確，符合設(shè)計(jì)的預(yù)定目標(biāo)。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送仿真波形

圖5 數(shù)據(jù)接收仿真波形

從圖4的仿真波形中可以看到，data信號(hào)線上是系統(tǒng)要向外圍串行設(shè)備發(fā)送的并行數(shù)據(jù)，在各種控制信號(hào)邏輯組合滿足情況下，系統(tǒng)響應(yīng)發(fā)送中斷信號(hào)Int后，CPU先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)暫存在04H地址緩沖寄存器中，在幀同步脈沖信號(hào)Sgate正脈沖觸發(fā)下，每個(gè)Sclk周期發(fā)送一位串行數(shù)據(jù)Sdata。圖中并行數(shù)據(jù)99H和E3H對(duì)應(yīng)的串行數(shù)據(jù)分別為“10011001”和“11100011”。

同理，從圖5可知，當(dāng)開(kāi)始接收數(shù)據(jù)時(shí)，在Rgate正脈沖觸發(fā)下，Rdata數(shù)據(jù)信號(hào)線上待接收的二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)通過(guò)串/并變換成“11101010”和“11010111”，并分別暫存在07H和06H所對(duì)應(yīng)的地址緩沖寄存器中，在接收中斷信號(hào)Int響應(yīng)下，將對(duì)應(yīng)的并行數(shù)據(jù)“EA”和“D7”傳送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

本文在對(duì)三線制同步串行通信機(jī)制進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)三線制同步串行通信控制器IP核進(jìn)行了結(jié)構(gòu)劃分和詳細(xì)設(shè)計(jì)，并結(jié)合Xilinx公司的FPGA器件，采用VHDL硬件描述語(yǔ)言，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證，通過(guò)功能仿真波形得出了設(shè)計(jì)方案的正確性，并被成功用于航天某工程項(xiàng)目中。因其兼具較高的數(shù)據(jù)傳輸率和IP核的可移植性，可以預(yù)見(jiàn)，其在通信領(lǐng)域中將具有更加廣闊的發(fā)展空間。