用FPGA/CPLD設(shè)計UART

摘 要 ：UART是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)通訊電路。本設(shè)計包含UART發(fā)送器、接收器和波特率發(fā)生器。設(shè)計應(yīng)用EDA技術(shù)，基于FPGA/CPLD器件設(shè)計與實現(xiàn)UART。

關(guān)鍵詞 ：FPGA/CPLD；UART；VHDL

UART（即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用異步收發(fā)器）是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。UART允許在串行鏈路上進行全雙工的通信。
--- 串行外設(shè)用到RS232-C異步串行接口，一般采用專用的集成電路即UART實現(xiàn)。如8250、8251、NS16450等芯片都是常見的UART器件，這類芯片已經(jīng)相當復(fù)雜，有的含有許多輔助的模塊（如FIFO），有時我們不需要使用完整的UART的功能和這些輔助功能?；蛘咴O(shè)計上用到了FPGA/CPLD器件，那么我們就可以將所需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部。使用VHDL將UART的核心功能集成，從而使整個設(shè)計更加緊湊、穩(wěn)定且可靠。本文應(yīng)用EDA技術(shù)，基于FPGA/CPLD器件設(shè)計與實現(xiàn)UART。

一 UART簡介

1 UART結(jié)構(gòu)
--- UART主要有由數(shù)據(jù)總線接口、控制邏輯、波特率發(fā)生器、發(fā)送部分和接收部分等組成。
--- 功能包括微處理器接口，發(fā)送緩沖器（tbr）、發(fā)送移位寄存器（tsr）、幀產(chǎn)生、奇偶校驗、并轉(zhuǎn)串、數(shù)據(jù)接收緩沖器（rbr）、接收移位寄存器（rsr）、幀產(chǎn)生、奇偶校驗、串轉(zhuǎn)并。
--- 圖1是UART的典型應(yīng)用。

2 UART的幀格式
--- UART的幀格式如圖2所示。

--- 包括線路空閑狀態(tài)（idle，高電平）、起始位(start bit，低電平)、5～8位數(shù)據(jù)位(data bits)、校驗位(parity bit，可選)和停止位(stop bit，位數(shù)可為1、1.5、2位)。
--- 這種格式是由起始位和停止位來實現(xiàn)字符的同步。
--- UART內(nèi)部一般有配置寄存器，可以配置數(shù)據(jù)位數(shù)（5～8位）、是否有校驗位和校驗的類型、停止位的位數(shù)（1，1.5，2）等設(shè)置。

二 UART的設(shè)計與實現(xiàn)

1 UART發(fā)送器

--- 發(fā)送器每隔16個CLK16時鐘周期輸出1位，次序遵循1位起始位、8位數(shù)據(jù)位（假定數(shù)據(jù)位為8位）、1位校驗位（可選）、1位停止位。
--- CPU何時可以往發(fā)送緩沖器tbr寫入數(shù)據(jù)，也就是說CPU要寫數(shù)據(jù)到tbr時必須判斷當前是否可寫，如果不判這個條件，發(fā)送的數(shù)據(jù)會出錯。
--- 數(shù)據(jù)的發(fā)送是由微處理器控制，微處理器給出wen信號，發(fā)送器根據(jù)此信號將并行數(shù)據(jù)din[7..0]鎖存進發(fā)送緩沖器tbr[7..0]，并通過發(fā)送移位寄存器tsr[7..0]發(fā)送串行數(shù)據(jù)至串行數(shù)據(jù)輸出端dout。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中用輸出信號tre作為標志信號，當一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時，tre信號為1，通知CPU在下個時鐘裝入新數(shù)據(jù)。
--- 發(fā)送器端口信號如圖3所示。

--- 引入發(fā)送字符長度和發(fā)送次序計數(shù)器length_no，實現(xiàn)的部分VHDL程序如下。

--- if std_logic_vector(length_no) = “0001” then
--- tsr <= tbr ; --發(fā)送緩沖器tbr數(shù)據(jù)進入發(fā)送移位寄存器tsr
--- tre <= '0' ; --發(fā)送移位寄存器空標志置“0”
--- elsif std_logic_vector(length_no) = “0010” then
--- dout <= '0' ; --發(fā)送起始位信號“0”
--- elsif std_logic_vector(length_no) >= “0011” and std_logic_vector(length_no) <= “1010” then
--- tsr <= '0' & tsr(7 downto 1); --從低位到高位進行移位輸出至串行輸出端dout
--- dout <= tsr(0) ;
--- parity <= parity xor tsr(0) ; --奇偶校驗
--- elsif std_logic_vector(length_no) = “1011” then
--- dout <= parity ; 校驗位輸出
--- elsif std_logic_vector(length_no) = “1100” then
--- dout <= '1' ; --停止位輸出
--- tre <= '1' ; --發(fā)送完畢標志置“1”
--- end if ;

--- 發(fā)送器仿真波形如圖4所示。

2 UART接收器

--- 串行數(shù)據(jù)幀和接收時鐘是異步的，發(fā)送來的數(shù)據(jù)由邏輯1變?yōu)檫壿?可以視為一個數(shù)據(jù)幀的開始。接收器先要捕捉起始位，確定rxd輸入由1到0，邏輯0要8個CLK16時鐘周期，才是正常的起始位，然后在每隔16個CLK16時鐘周期采樣接收數(shù)據(jù)，移位輸入接收移位寄存器rsr，最后輸出數(shù)據(jù)dout。還要輸出一個數(shù)據(jù)接收標志信號標志數(shù)據(jù)接收完。
--- 接收器的端口信號如圖5所示。

--- 實現(xiàn)的部分VHDL程序如下。

--- elsif clk1x'event and clk1x = '1' then
--- if std_logic_vector(length_no) >= “0001” and std_logic_vector(length_no) <= “1001” then
--- --數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)由接收串行數(shù)據(jù)端移位入接收移位寄存器
--- rsr(0) <= rxda ;
--- rsr(7 downto 1) <= rsr(6 downto 0) ;
--- parity <= parity xor rsr(7) ;
--- elsif std_logic_vector(length_no) = “1010” then
--- rbr <= rsr ; --接收移位寄存器數(shù)據(jù)進入接收緩沖器
--- ......
--- end if ;

--- 接收器仿真波形如圖6所示。

3 波特率發(fā)生器

--- UART的接收和發(fā)送是按照相同的波特率進行收發(fā)的。波特率發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘頻率不是波特率時鐘頻率，而是波特率時鐘頻率的16倍，目的是為在接收時進行精確地采樣，以提出異步的串行數(shù)據(jù)。
--- 根據(jù)給定的晶振時鐘和要求的波特率算出波特率分頻數(shù)。
--- 波特率發(fā)生器仿真波形如圖7所示。

三 小結(jié)

--- 通過波特率發(fā)生器、發(fā)送器和接收器模塊的設(shè)計與仿真，能較容易地實現(xiàn)通用異步收發(fā)器總模塊，對于收發(fā)的數(shù)據(jù)幀和發(fā)生的波特率時鐘頻率能較靈活地改變，而且硬件實現(xiàn)不需要很多資源，尤其能較靈活地嵌入到FPGA/CPLD的開發(fā)中。在EDA技術(shù)平臺上進行設(shè)計、仿真與實現(xiàn)具有較好的優(yōu)越性。