用FPGA器件實現(xiàn)UART核心功能的一種方法

串行外設(shè)都會用到RS232-C異步串行接口，傳統(tǒng)上采用專用的集成電路即UART實現(xiàn)，如TI、EXAR、EPIC的550、452等系列，但是我們一般不需要使用完整的UART的功能，而且對于多串口的設(shè)備或需要加密通訊的場合使用UART也不是最合適的。如果設(shè)計上用到了FPGA/CPLD器件，那么就可以將所需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部，本人最近在用XILINX的XCS30做一個設(shè)計的時候，就使用VHDL將UADT的核心功能集成了，從而使整個設(shè)計更加緊湊，更小巧、穩(wěn)定、可靠，下面就談?wù)勗O(shè)計方法。

分析UART的結(jié)構(gòu)，可以看出UART主要由數(shù)據(jù)總線接口、控制邏輯和狀態(tài)接口、波特率發(fā)生器、發(fā)送和接受等部分組成，各部分間關(guān)系如圖一。

了解了UART的各部分組成結(jié)構(gòu)后，下面對各部分的功能進(jìn)行詳細(xì)的分析。我們假定所要設(shè)計的UART為：數(shù)據(jù)位為7位、8位可選，波特率可選，效驗方式為奇、偶、無等效驗方式，下面的分析都是在這個假定的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

一、波特率發(fā)生部分

從圖一可以看出，UART的接收和發(fā)送是按照相同的波特率進(jìn)行收發(fā)的（當(dāng)然也可以實現(xiàn)成對的不同波特率進(jìn)行收發(fā)），波特率是可以通過CPU的總線接口設(shè)置的。UART收發(fā)的每一個數(shù)據(jù)寬度都是波特率發(fā)生器輸出的時鐘周期的16倍，即假定當(dāng)前按照9600bps進(jìn)行收發(fā)，那么波特率發(fā)生器輸出的時鐘頻率應(yīng)為9600＊16Hz，當(dāng)然這也是可以改變的，我們只是按照UART的方法進(jìn)行設(shè)計。

我們假定提供的時鐘為1.8432MHz，那么可以很簡單地用CPU寫入不同的數(shù)值到波特率保持寄存器，然后用計數(shù)器的方式生成所需要的各種波特率，這個值的計算原則就是1843200/（16＊所期望的波特率），如果希望輸出9600Hz的波特率，那么這個值就是1843200/（16＊9600）=12（0CH）。

二、 發(fā)送部分

這里應(yīng)重點分析幾個問題：首先是何時CPU可以往發(fā)送保持寄存器（THR）寫人數(shù)據(jù)？也就是說CPU要寫數(shù)據(jù)到THR時必須判一個狀態(tài)，當(dāng)前是否可寫？很明顯如果不判這個條件，發(fā)送的數(shù)據(jù)會出錯，除非CPU寫入THR的頻率低于當(dāng)前傳輸?shù)牟ㄌ芈?，而這種情況是極少出現(xiàn)的。其次是CPU寫入數(shù)據(jù)到THR后，何時THR的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送移位寄存器（TSR）并何時移位？即如何處理THR和TSR的關(guān)系？再次是數(shù)據(jù)位有7、8位兩種，校驗位有三種形式，這樣發(fā)送一個字節(jié)可能有9、10、11位三種串行長度，所以我們必須按照所設(shè)置的傳輸情況進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)位、效驗方式可以通過CPU寫一個端口來設(shè)置，發(fā)送和接受都根據(jù)這個設(shè)置進(jìn)行，由于這部分很簡單，所以我就不給出程序了。

根據(jù)上面的分析，引進(jìn)了幾個信號：

bigin1、begin2：引入兩個附加移位，目的是為送出起始位、停止位而加入串行長度。

txdone7、txdone8：分別表示7、8位的結(jié)束標(biāo)志。Txdone<=txdone8 when“8bit”else txdone7;

Paritycycle7、paritycycle8：分別表示7、8位下的校驗位。Parity<=parity8 when“8 bit”else parity7;

Writerdy：為0時表示CPU不能將數(shù)據(jù)寫入THR，為1時可以寫入。

這樣就可以得到以下信息：在移位時鐘的上升沿檢測到txdone和writerdy都為高電平時，進(jìn)入LOAD狀態(tài)即將THR的數(shù)據(jù)LOAD到TSR，在下一個時鐘就進(jìn)入移位狀態(tài)。在移位中同時進(jìn)行校驗位的運算，在需要送出校驗位的時候?qū)⑦\算好的校驗位送出，txdone=1的時候?qū)⒏唠娖剿统?，其它時候移位輸出。

最后還有一個小程序，那就是寫出writerdy的狀態(tài)，很明顯沒數(shù)據(jù)寫入時為高，而當(dāng)txdone為低時為低，注意這里也必須同時同步。圖二給出了一個奇效驗8bit數(shù)據(jù)的發(fā)送時序圖。

三、 接受部分

對于接收同樣存在9、10、11位三種串行數(shù)據(jù)長度的問題，必須根據(jù)所設(shè)置的情況而將數(shù)據(jù)完整地取下來。接收還有一個特別的情況，那就是它的移位的時鐘不是一直存在的，這個時鐘必須在接受到起始位的中間開始產(chǎn)生，到停止位的中間結(jié)束。接受到停止位后，必須給出中斷，并提供相應(yīng)的校驗出錯、FRAME錯以及溢出等狀態(tài)。

這樣需引入hunt和idle兩個信號，其中hunt為高表示捕捉到起始位，idle為高表示不在移位狀態(tài)，利用這兩個信號就可以生成接收所需要的移位時鐘。

下面還有一個小程序，就是如何將接收的狀態(tài)和標(biāo)志表示出來。溢出標(biāo)志很簡單，那就是在idle從低變高，也就是說在接收到一個完整的串行序列后，去判一下當(dāng)前的中斷是否有效？（高有效，數(shù)據(jù)沒有被讀走）如果為高那么溢出，否則沒有。在移位的時候，同時對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，這樣就可以判斷接收的數(shù)據(jù)是否有錯，在接收完成時判一下當(dāng)前的RX是否為高電平就可以知道FRAME是否有錯，圖三是一個8bit奇校驗的接收時序圖（假定接收正確，所以沒有給出校驗、溢出、幀出錯信號）。

總結(jié)：我在用FPGA做一個設(shè)計的時候，由于還有資源而且正好用到UART，所以就根據(jù)對UART的認(rèn)識進(jìn)行了設(shè)計，全部用VHDL進(jìn)行描述，用SPEEDWAVE進(jìn)行語言級的仿真，用XILINX的F2.1進(jìn)行頂層仿真，最后和PC的仿真終端進(jìn)行聯(lián)機(jī)，功能一切正常，整個UART所需要的觸發(fā)器為80個左右，一般的PLD都可以完成。