基于FPGA的UART接口模塊設(shè)計

UART（UniversalAnynchronousReceiverTransmitter,通用異步接收發(fā)送器）是廣泛應(yīng)用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議之一，其應(yīng)用范圍遍及計算機外設(shè)、工控自動化等場合。雖然USB傳輸協(xié)議比UART協(xié)議有更高的性能，但電路復(fù)雜開發(fā)難度大，并且大多數(shù)的微處理器只集成了UART,因此UART仍然是目前數(shù)字系統(tǒng)之間進行串行通信的主要協(xié)議。

　　隨著FPGA的廣泛應(yīng)用，經(jīng)常需要FPGA與其他數(shù)字系統(tǒng)進行串行通信，專用的UART集成電路如8250,8251等是比較復(fù)雜的，因為專用的UART集成電路既要考慮異步的收發(fā)功能，又要兼容RS232接口設(shè)計，在實際應(yīng)用中，往往只需要用到UART的基本功能，使用專用芯片會造成資源浪費和成本提高。可以將所需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部，實現(xiàn)FPGA與其他數(shù)字系統(tǒng)的直接通信，從而簡化了整個系統(tǒng)電路，提高了可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。

　　1 UART簡介

　　基本的UART通信只需要兩條信號線（RXD,TXD）就可以完成數(shù)據(jù)的相互通信，接收與發(fā)送是全雙工形式，其中TXD是UART發(fā)送端，RXD是UART接收端。UART基本特點是：在信號線上有兩種狀態(tài)，可分別用邏輯1（高電平）和邏輯0（低電平）來區(qū)分。在發(fā)送器空閑時，數(shù)據(jù)線應(yīng)保持在邏輯高電平狀態(tài)。發(fā)送器是通過發(fā)送起始比特而開始一個字符傳送，起始比特使數(shù)據(jù)線處于邏輯0狀態(tài)，提示接收器數(shù)據(jù)傳輸即將開始。數(shù)據(jù)位一般為8位一個字節(jié)的數(shù)（也有6位7位的情況），低位（LSB）在前，高位（MSB）在后。校驗位一般用來判斷接收的數(shù)據(jù)位有無錯誤，一般是奇偶校驗。停止位在最后，用以標(biāo)志UART一個字符傳送的結(jié)束，它對應(yīng)于邏輯1狀態(tài)，UART數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示。

圖1 UART數(shù)據(jù)幀格式

　　2 UART功能實現(xiàn)

　　UART可以分解為3個子模塊：波特率發(fā)生器模塊；發(fā)送模塊；接收模塊。UART的功能主要由VHDL硬件描述語言編程，圖2是編譯后生成的圖元SCI,它包括了UART的最主要的部分，即發(fā)送模塊和接收模塊。SCI的外部口線可分為3類：

　　一是與數(shù)字系統(tǒng)的接口，包括數(shù)據(jù)DATA[7.0],片選CS,讀寫RD、WR,狀態(tài)RDFULL、TDEMPTY.這部分接口完成的功能是將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SCI或從SCI讀出已接收到的數(shù)據(jù)。

　　二是串行通信接口2條線RXD、TXD,其中RXD是接收數(shù)據(jù)線、TXD是發(fā)送數(shù)據(jù)線，因此，SCI實現(xiàn)的是全雙工通信的設(shè)計。

　　三是系統(tǒng)控制線RESET、CLK,RESET為模塊復(fù)位輸入，CLK為模塊時鐘輸入，通信的波特率由CLK來決定（實際的波特率是CLK/4）。

圖2 UART的圖元模塊結(jié)構(gòu)

　　RDFULL、TDEMPTY為兩個狀態(tài)標(biāo)志位，RDFULL為輸入寄存器滿標(biāo)志，高電平表示已經(jīng)接收到一個有效數(shù)據(jù)并存儲到輸入數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)CS、RD有效將數(shù)據(jù)讀出后變?yōu)榈碗娖綗o效。

　　TDEMPTY為輸出寄存器空標(biāo)志，高電平表示由CS、WR有效寫入到輸出寄存器的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢，可以向輸出寄存器寫入另外待發(fā)送的數(shù)據(jù)，低電平時表示數(shù)據(jù)目前正在發(fā)送中。