基于SOPC技術(shù)的異步串行通信IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了SoPC(System on a Programmable Chip)系統(tǒng)的概念和特點(diǎn)，給出了基于PLB總線的異步串行通信(UART)IP核的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。通過將設(shè)計(jì)好的UART IP核集成到SoPC系統(tǒng)中加以驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)的UARTIP核可以正常工作。該設(shè)計(jì)方案為其他基于SoPC系統(tǒng)IP核的開發(fā)提供了一定的參考。
關(guān)鍵詞：SoPC；UKRT；PLB；IPIF；FPGA

    隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于SoPC技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)所具有的軟硬件可裁減、可擴(kuò)充、可升級以及可在線修改的特點(diǎn)越來越受到人們的重視。SoPC系統(tǒng)通常具有以下基本特征：采用大容量可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn)，單芯片、低功耗；至少包含1個以上的嵌入式處理器IP核；具有一個或多條片上總線作為系統(tǒng)擴(kuò)展功能的接口；具有充足的片上可編程邏輯資源，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)充功能部件。
    異步串行通信協(xié)議(UART)以低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，多篇文獻(xiàn)也討論了UART協(xié)議的硬件設(shè)計(jì)方法，但多數(shù)只限于討論UART協(xié)議的硬件實(shí)現(xiàn)，缺少從SoPC系統(tǒng)的角度論述UART IP核的設(shè)計(jì)方法。本文以UART IP核和PLB總線為例，討論了在SoPC系統(tǒng)下UART IP核的設(shè)計(jì)方法，該方法對其他IP核的設(shè)計(jì)有一定的參考作用。

1 UART協(xié)議介紹
    UART是一種串行異步通信方式，它采用RS232電平在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信，其數(shù)據(jù)傳輸格式如圖1所示：UART協(xié)議在空閑時為高電平，通過發(fā)送起始位提示接收方數(shù)據(jù)傳輸即將開始，接著傳輸8位有效數(shù)據(jù)位和奇偶檢驗(yàn)位，最后發(fā)送停止位表示一個字符傳輸完成。

2 SOPC UART通信系統(tǒng)介紹
    本文設(shè)計(jì)的SOPC UART通信系統(tǒng)主要包括MicroBlaze處理器、PLB總線、UART IP核和DDR2控制器IP核，如圖2所示。

    MicroBlaze處理器是Xilinx公司針對其FPGA器件優(yōu)化的32位微處理器核，它采用RISC(Reduced Instruction System Computer)架構(gòu)和哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立32位數(shù)據(jù)和指令總線，能夠高速執(zhí)行和訪問片上存儲器和片外存儲器上的程序與數(shù)據(jù)；提供本地塊存儲器總線(LMB)、處理器本地總線(PLB)等總線接口。
    PLB總線作為IBM CoreConnect總線協(xié)議簇中的一部分，廣泛的應(yīng)用于IBM PowerPC處理器架構(gòu)中。該總線具有總線地址空間大，總線吞吐率高，能支持多個主從設(shè)備連接等特點(diǎn)。如圖3所示，MicroBlaze處理器通過PLB總線與UARTIP核、DDR2控制器相互連接，各部件之間通過PLB總線協(xié)議進(jìn)行交互。其中，MicroBlaze處理器作為主設(shè)備完成系統(tǒng)控制和UART通信流程控制，UART IP核作為從設(shè)備在主設(shè)備的控制下完成異步串行通信，DDR2存儲指令和數(shù)據(jù)。
    MicroBlaze處理器和DDR2控制器采用Xilinx公司提供的IP核，UART IP核由用戶編寫邏輯，它是文中設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，對此模塊的設(shè)計(jì)將在下一節(jié)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3 UART IP核設(shè)計(jì)
3．1 PLB Slave Single模塊介紹
    如上，UABT IP核作為PLB總線的從設(shè)備，必須提供PLB總線接口。但由于PLB總線協(xié)議復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)其接口難度較大，Xilinx公司為了使用戶編寫的邏輯能夠方便的連結(jié)到PLB總線上，提供了一種PLB總線與用戶邏輯之間的接口模塊(IPIF，IP Interface)，利用它簡化了PLB總線接口信號、總線協(xié)議和其他接口相關(guān)問題。IPIF接口邏輯中最簡單的模塊稱為PLB Slave Single模塊，它提供了一種輕量級的PLB總線接口，為PLB總線主設(shè)備提供了解析從設(shè)備地址空間，讀寫從設(shè)備寄存器／存儲空間等基本服務(wù)。本文設(shè)計(jì)的UARTIP核與MicroBlaze處理器之間僅通過寄存器的讀寫進(jìn)行交互，PLB Slave Single模塊很好的滿足了該設(shè)計(jì)要求，因此采用PLB Slave Single模塊與UART邏輯共同構(gòu)成了UART IP核。PLB Slave Single模塊與UART邏輯之間的連接關(guān)系如圖3所示，接口信號說明如表1所示。

    在系統(tǒng)中，UART IP核的內(nèi)部寄存器組映射為處理器的某段地址空間，MicroBlaze處理器通過對該段地址的讀寫實(shí)現(xiàn)對UART IP核的訪問。當(dāng)MicroBlaze處理器訪問UART IP核的某個寄存器時，PLB總線會產(chǎn)生相應(yīng)的地址信號和讀寫信號，該信號被UART IP核中的PLB Slave Single模塊解析并生成相應(yīng)的IPIF信號，UART IP核中的UABT邏輯響應(yīng)該IPIF信號，完成寄存器的讀寫。
3．2 UART IP核寄存器組設(shè)計(jì)
    文中設(shè)計(jì)的UART IP核提供了5個寄存器，如表2所示。其中發(fā)送寄存器和讀接收寄存器完成UART數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。狀態(tài)寄存器提供了UART IP核內(nèi)部狀態(tài)，包括接收數(shù)據(jù)有效，發(fā)送FIFO滿，接收FIFO滿，奇偶校驗(yàn)錯等狀態(tài)。控制寄存器提供了UART IP核復(fù)位功能。配置寄存器提供了波特率設(shè)置，奇偶校驗(yàn)位設(shè)置等功能。
3. 3 UART協(xié)議邏輯模塊設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的UART協(xié)議邏輯模塊主要包括波特率產(chǎn)生模塊，發(fā)送模塊，接收模塊，寄存器組等幾個部分，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。寄存器組說明如表2，其他幾個模塊的設(shè)計(jì)如圖4所示。

3. 3．1 波特率模塊
    波特率模塊根據(jù)PLB總線提供的時鐘產(chǎn)生需要的發(fā)送時鐘和接收時鐘。由于UABT在發(fā)送數(shù)據(jù)時只需要按照發(fā)送波特率將數(shù)據(jù)串行地發(fā)出就可以了，因此發(fā)送時鐘就等于發(fā)送波特率。而當(dāng)UART在接收數(shù)據(jù)時，需要對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣以判斷接收數(shù)據(jù)。由于接收方和發(fā)送方的時鐘不可能完全同步，所以需要對每一位接收數(shù)據(jù)持續(xù)電平的時間進(jìn)行分段。分段越多，接收出現(xiàn)誤判的概率就越低，但系統(tǒng)開銷也越大。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中通常采用發(fā)送時鐘的16倍作為接收時鐘。波特率模塊的分頻功能由兩個16位計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，它將PLB總線時鐘按配置寄存器的設(shè)定進(jìn)行分頻，產(chǎn)生發(fā)送時鐘和接收時鐘。
3．3．2 發(fā)送模塊
    發(fā)送模塊主要包括發(fā)送FIFO和發(fā)送單元兩部分，如圖5(a)所示。發(fā)送FIFO數(shù)據(jù)位寬度為8bit，深度為16字節(jié)。發(fā)送FIFO緩存MicroBlaze處理器需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)FIFO空間滿時，發(fā)送模塊將狀態(tài)寄存器中“發(fā)送FIFO滿”標(biāo)志位置1，MicroBlaze處理器通過查詢該位以判斷UART IP核是否可以接收下一個發(fā)送數(shù)據(jù)。

    發(fā)送單元的設(shè)計(jì)用有限狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5(b)所示。系統(tǒng)在復(fù)位后，發(fā)送單元處于空閑狀態(tài)。當(dāng)FIFO有發(fā)送數(shù)據(jù)時(Empty管腳為低)，發(fā)送單元發(fā)出讀FIFO操作，并進(jìn)入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)從FIFO中讀出，發(fā)送單元首先發(fā)送起始位，進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。在發(fā)送狀態(tài)下，發(fā)送單元依次串行發(fā)送8比特數(shù)據(jù)，并計(jì)算當(dāng)前的奇偶校驗(yàn)碼。在數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，若配置寄存器中奇偶校驗(yàn)位為1，則發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。最后發(fā)送單元發(fā)送停止位，回到空閑狀態(tài)，完成次數(shù)據(jù)發(fā)送。
3．3．3 接收模塊
    接收模塊由接收FIFO和接收單元兩部分組成，如圖6(a)所示。接收FIFO數(shù)據(jù)位寬度為8bit，深度16字節(jié)，它負(fù)責(zé)緩存接收單元收到的數(shù)據(jù)，并在收到數(shù)據(jù)后將狀態(tài)寄存器中“接收數(shù)據(jù)有效”標(biāo)志位置1。MicroBlaze處理器通過查詢該位來判斷是否有數(shù)據(jù)到達(dá)。

    接收單元的設(shè)計(jì)同樣采用了有限狀態(tài)機(jī)的方法，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6(b)所示。系統(tǒng)在復(fù)位后接收單元處于就緒狀態(tài)。當(dāng)接收單元在接收管腳連續(xù)檢測到8個低電平時認(rèn)為起始位有效，進(jìn)入接收狀態(tài)。在接收狀態(tài)下，接收單元每16個接收時鐘采集一次接收數(shù)據(jù)。8個接收數(shù)據(jù)都采集完成后，接收單元根據(jù)配置寄存器中“奇偶校驗(yàn)位”是否為1決定是否進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。若奇偶校驗(yàn)通過，接收單元將接收到的數(shù)據(jù)寫入接收FIFO。若奇偶校驗(yàn)未通過接收FIFO滿，接收單元丟棄收到的數(shù)據(jù)，并在狀態(tài)寄存器中置“奇偶校驗(yàn)出錯”位或“接收FIFO滿”位為1。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
4. 1 系統(tǒng)硬件介紹
    本文采用Xilinx公司提供的ML505 V5 FPGA Demo板作為SoPC系統(tǒng)硬件平臺。ML505 FPGA演示驗(yàn)證板主要由一塊Virtex-5 XC5VLX50T FPGA構(gòu)成，此外還包括RAM、Flash、以太網(wǎng)接口芯片、USB接口芯片以及ADM3202 RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片等外圍擴(kuò)展芯片，其中ADM3202電路原理圖如圖7所示。

    實(shí)驗(yàn)采用Xilinx公司ISE工具完成UART IP核的邏輯綜合和仿真，仿真波形如圖8所示，發(fā)送數(shù)據(jù)為0x01。

    UART IP核仿真通過后，用EDK工具提供的Peripheral Import Wizard生成一個采用PLB Slave Single模塊的自定義IP核框架。在該IP核目錄下的user_logic．v文件中例化波特率模塊、發(fā)送模塊、接收模塊和寄存器組，并增加相應(yīng)總線訪同邏輯后即生成了本文設(shè)計(jì)的UART IP核。
    用EDK工具中的Base System Builder wizard新建一個如圖3所示的SoPC系統(tǒng)，如圖9所示。在Port界面下將UART IP核的收發(fā)管腳定義為External，并在UCF文件中加入收發(fā)管腳的管腳映射描述。在Address界面下生成UART IP核的地址空間，UART通信測試程序?qū)⑼ㄟ^該地址空間訪問UART IP核。用EDK工具中Hardware菜單下Generate Bit Stream命令生成該SoPC系統(tǒng)的FPGA配置文件。用該配置文件配置ML505板載FPGA后，即生成了SoPC UART通信系統(tǒng)硬件。

    用EDK工具中的Xilinx SDK軟件開發(fā)工具編寫相應(yīng)的UART通信測試程序，編譯后將程序下載至MicroBlaze處理器程序空間。將ML505板串口與PC機(jī)串口連接后運(yùn)行UART通信測試程序，在PC機(jī)上可以觀察到此UART通信系統(tǒng)可以正確的發(fā)送和接收UART數(shù)據(jù)，證明了該UART IP核工作正常。

5 結(jié)論
    文中詳細(xì)介紹了一種基于SoPC概念的UART IP核的設(shè)計(jì)。通過將Xilinx公司提供的PLB Slave Single模塊和本文設(shè)計(jì)的UART邏輯模塊結(jié)合，快速搭建了一個滿足PLB總線接口要求的UART IP核，仿真與綜合結(jié)果表明該UART IP核各項(xiàng)功能均達(dá)到預(yù)期要求。該設(shè)計(jì)方法既采用了成熟的商業(yè)IP核，也利用總線接口模塊將用戶自定義IP核與商業(yè)IP核連接成為一個完整的SoPC系統(tǒng)。該方法增加了系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展性，同時縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，可為其他嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供有益的參考。