Virtex-5FPGA設(shè)計(jì)Gbps無線通信基站

1、引言

　　隨著集成電路(IC)技術(shù)進(jìn)入深亞微米時(shí)代，片上系統(tǒng)SoC（System-on-a-Chip）以其顯著的優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)代IC設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。基于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)及IP復(fù)用技術(shù)的片上系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、高集成度和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可顯著降低系統(tǒng)體積和成本，縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間。IP核是SoC設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，已成為目前微電子設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)和主要方向[1]。

　　UART 核以其可靠性、傳送距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)該到通信系統(tǒng)和嵌入式微處理器上。利用傳統(tǒng)的EDA工具通過對(duì)RTL代碼仿真、驗(yàn)證、綜合、布局布線后生成網(wǎng)表，下載到FPGA中實(shí)現(xiàn)，這樣做成的核主要用于驗(yàn)證的[2]，不適合用來做掩膜。在ASIC/SoC技術(shù)日漸成熟的今天，設(shè)計(jì)商更希望得到能夠做掩膜的IP核，從而便于嵌入到ASIC/SoC設(shè)計(jì)中。本文描述的UART核采用SYNOPSYS軟件的設(shè)計(jì)流程，在RTL級(jí)上進(jìn)行優(yōu)化，解決了綜合優(yōu)化中碰到的一些常見問題。利用VCS 仿真、編寫測(cè)試激勵(lì)來驗(yàn)證，最后用design compile 綜合優(yōu)化做成的IP核可以滿足此要求，應(yīng)用到ASIC/SoC設(shè)計(jì)中將產(chǎn)生巨大的效益。

　　2、UART核的功能分析和設(shè)計(jì)

　　2.1 UART 核的傳輸協(xié)議與總體模塊設(shè)計(jì)

　　通常信息是通過數(shù)據(jù)幀來傳送的，由起始位、8位數(shù)據(jù)位、停止位組成。起始位為低電平，表示串行數(shù)據(jù)開始傳輸，停止位為高電平，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。

　　UART的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[3]，主要有由波特率發(fā)生器、發(fā)送部分和接收部分等組成。本設(shè)計(jì)采用全雙工異步通信的方式，通過層次結(jié)構(gòu)化、劃分模塊的方法來實(shí)現(xiàn)。

圖1 UART 的結(jié)構(gòu)框圖

　　2.2 UART 核的功能設(shè)計(jì)

　　2.2.1 波特率發(fā)生器

　　波特率是用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的異步，波特率實(shí)際上就是分頻器。UART的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送是通過對(duì)波特率的設(shè)置進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，本文采用16分頻[3]。

　　2.2.2 接收器模塊設(shè)計(jì)

　　接收器模塊將8 位串行數(shù)據(jù)并行發(fā)出，用loadbuf 信號(hào)來裝載八位串行數(shù)據(jù)。接收8位串行數(shù)據(jù)之前先要判斷起始位；當(dāng)起始位到來后經(jīng)過5個(gè)clk16x采樣，使采樣點(diǎn)接近中央位置，這樣數(shù)據(jù)穩(wěn)定。然后每過16個(gè)時(shí)鐘clk16x后，將8位串行數(shù)據(jù)逐位接收進(jìn)來。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢，檢查是否到達(dá)停止位，若是則表示接收成功，否則出現(xiàn)幀錯(cuò)誤（framing_err）， 并重新檢測(cè)等待。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢后，等待數(shù)據(jù)的并行發(fā)出，當(dāng)中斷信號(hào)（rask）有效時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　接收數(shù)據(jù)停止位的判斷采用9位移位寄存器（shift_reg）來實(shí)現(xiàn)。開始時(shí)將shift_reg全部置1，當(dāng)16個(gè)clk16x到來時(shí)候，將串行數(shù)據(jù)從低位到高位逐位地移入到shift_reg的低位到高位。每接收一位數(shù)據(jù)后，判斷是否接收完，由于起始位是最先進(jìn)入shift_reg的，所以當(dāng)數(shù)據(jù)全部接收完后。起始位已經(jīng)進(jìn)入了shift_reg的最后一位，表示數(shù)據(jù)接收完，如果在接收到停止位的邏輯是0，則表示產(chǎn)生幀錯(cuò)誤（framing_err）,等待再次檢測(cè)直到停止位為1，表示接收完畢。采用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)起始位、停止位的判斷和串行數(shù)據(jù)的接收[4]。

　　圖2給出了接收模塊的仿真波形。由波形可以看出，當(dāng)輸入0F0H，并行輸出正確，其中state、reset、clk1x、flag、dout和rbuffer分別是狀態(tài)機(jī)、復(fù)位信號(hào)、使異步的時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)發(fā)送出去的標(biāo)志、并行數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)緩沖器，而ask、rask和flag是中斷發(fā)送控制，其中rask是控制數(shù)據(jù)發(fā)送。