異步串行通信接口的IP核設(shè)計(jì)

   摘要：異步串行通信接口（SCI）因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、使用方便，因而在各類MCU、DSP和MPU芯片設(shè)計(jì)中獲得廣泛的應(yīng)用。本文給出一種以狀態(tài)機(jī)為控制核心、以數(shù)據(jù)流為執(zhí)行中心的異步串行通信接口IP核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用方法。此方法已在筆者所設(shè)計(jì)的DSP芯片中得到驗(yàn)證。

    關(guān)鍵詞：SCI IP核設(shè)計(jì) 狀態(tài)機(jī) 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(jì)技術(shù)正在轉(zhuǎn)向基于知識(shí)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(jì)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展很快，各種規(guī)模的IC設(shè)計(jì)中心和公司不斷出現(xiàn)。因此，IP核的設(shè)計(jì)已開(kāi)始逐漸成為國(guó)內(nèi)微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)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(jì)為例，說(shuō)明SCI、UART、SPI、USB等接口IP核的設(shè)計(jì)方法。

SCI的通信方式采用標(biāo)準(zhǔn)NRZ格式來(lái)進(jìn)行外設(shè)間的異步數(shù)字通信。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)接口功能模塊。SCI通常由三個(gè)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(duì)應(yīng)的狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)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(jì)思想的一種通用設(shè)計(jì)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(shí)產(chǎn)生發(fā)送標(biāo)志位。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，字符發(fā)送狀態(tài)機(jī)如圖3所示。下面簡(jiǎn)要介紹發(fā)送單元各功能模塊及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

（1）TXD時(shí)鐘八分頻器

對(duì)基于波特率時(shí)鐘進(jìn)行八分頻，并輸出兩個(gè)基本脈沖—TXD_CLK_WORK（用于計(jì)數(shù)、移位等）和TXD_CLK_END（用于標(biāo)志位的生成和數(shù)據(jù)流輸出）。

（2）TXD狀態(tài)寄存器

通過(guò)此狀態(tài)寄存器設(shè)置通信控制寄存器2的兩個(gè)控制位—TXEMPTY和TXRDY位，以表示數(shù)據(jù)寫(xiě)入SCI_TXBUF和啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程。

    （3）發(fā)送字符計(jì)數(shù)器

當(dāng)字符狀態(tài)機(jī)的輸出狀態(tài)為允許字符計(jì)數(shù)時(shí)，其開(kāi)始對(duì)發(fā)送的字符計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器值等于編程的字符數(shù)時(shí)，輸出TX_CHAP_REACH信號(hào)作為字符狀態(tài)機(jī)激勵(lì)，使之進(jìn)入非字符輸出狀態(tài)。

（4）發(fā)送空閑線計(jì)數(shù)器

當(dāng)字符狀態(tài)機(jī)進(jìn)入發(fā)送空閑線數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始工作。當(dāng)計(jì)數(shù)到一定值時(shí)，輸出信號(hào)TX_IDLECOUT_REACH作為字符狀態(tài)機(jī)激勵(lì)，使之進(jìn)入非空閑線數(shù)據(jù)計(jì)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(guò)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(shí)，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(yàn)位。

    （6）當(dāng)前發(fā)送字符狀態(tài)機(jī)

在啟動(dòng)、控制位、計(jì)數(shù)器溢出等激勵(lì)作用下，實(shí)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(jī)的激勵(lì)有：TXEMPTY（為“0”時(shí)啟動(dòng)TXD發(fā)送）、ADDR_IDLE（地址/空閑線模式選擇位）、PARENA（奇偶校驗(yàn)使能位）、STOPBIT（選擇1或2個(gè)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(jī)（見(jiàn)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(jī)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(yàn)位，F(xiàn)為空閑線模式停止位，D為空閑線模式計(jì)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(biāo)志位的生成。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，接收起始位檢測(cè)和接收字符狀態(tài)機(jī)如圖5、圖6所示。

接收單元各功能模塊及狀態(tài)轉(zhuǎn)換說(shuō)明如下。

（1）RXD時(shí)鐘八分頻器

對(duì)波特率時(shí)鐘進(jìn)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(gè)時(shí)鐘脈沖：RXD_CLK_WORK，用于計(jì)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(gè)字節(jié)時(shí)間段內(nèi)提供脈沖。

圖4 SCI數(shù)字接收單元

    （2）起始位檢測(cè)模塊

是一種三位四狀態(tài)機(jī)。其激勵(lì)有兩個(gè)：RXD_1_VALUE—接收的串行數(shù)據(jù)流激勵(lì)；RXD_END_CHK—一次接收完畢的脈沖激勵(lì)。其狀態(tài)有如下幾種（見(jiàn)圖5）：0（待機(jī)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(shí)鐘同步信號(hào)）、5（字符接收過(guò)程中輸出RXD_CLK_AYN和RXD_START_DRV）。

（3）字符檢測(cè)模塊

主要功能是接收數(shù)據(jù)流。其在采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下數(shù)據(jù)流通過(guò)三個(gè)寄存器，隨后在RXD_CLK_WORK脈沖作用下，三個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)通過(guò)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(zhǔn)備。

（4）當(dāng)前接收字符狀態(tài)機(jī)

用來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前所接收的數(shù)據(jù)是哪一種字符，以及在下一個(gè)RXD_CLK_WORK字符周期將轉(zhuǎn)換到哪一種狀態(tài)，并且根據(jù)當(dāng)前接收字符的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)其它部件進(jìn)行合適的操作。其激勵(lì)有：RXD_START_DRV（RXD起始位有效激勵(lì)）、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(yàn)使能）。其狀態(tài)（見(jiàn)圖6）有：0（待機(jī)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(yàn)位）、5（空狀態(tài)）、6（幀停止位）。

（5）接收字符計(jì)數(shù)器

當(dāng)接收字符狀態(tài)機(jī)處于幀數(shù)據(jù)位階段時(shí)，其開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)與可編程的數(shù)據(jù)相同時(shí)，輸出RX_CHAR_REACH給接收字符狀態(tài)機(jī)。

（6）接收空閑線計(jì)數(shù)器

當(dāng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)到一定時(shí)，輸出一個(gè)脈沖，將RXSP1_RXWAKE置位為1；在下一個(gè)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(jī)的狀態(tài)接收與檢測(cè)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(biāo)志，否則置出錯(cuò)標(biāo)志。

（8）BRKDT間斷檢測(cè)計(jì)數(shù)器

當(dāng)產(chǎn)生RXST4_FE幀錯(cuò)誤時(shí)，開(kāi)始工作。當(dāng)RXD_VALUE為“1”時(shí)，其被復(fù)位；當(dāng)RXD_VALUE為“0”時(shí)，表示沒(méi)有數(shù)據(jù)接收，開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)計(jì)到一定值時(shí)，輸出計(jì)數(shù)滿信號(hào)，此時(shí)間斷檢測(cè)標(biāo)志RXST5_BRKDT被置位。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在各種串行接口IP核設(shè)計(jì)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(jì)采用以單極或多級(jí)狀態(tài)機(jī)為核心，并配合其各種激勵(lì)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以做到結(jié)構(gòu)清晰，并可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用以控制邏輯輸出的狀態(tài)為中心，來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)選擇器或數(shù)據(jù)分配器，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的復(fù)雜流向（請(qǐng)見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版：www.dpj.com.cn）。