基于FPGA/CPLD設(shè)計與實現(xiàn)UART

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(jìn)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(dāng)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。或者設(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(dāng)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(jìn)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(biāo)志信號，當(dāng)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(jìn)入發(fā)送移位寄存器tsr
tre <= 0 ; --發(fā)送移位寄存器空標(biāo)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(jìn)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(biāo)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(biāo)志信號標(biāo)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 clk1xevent 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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行設(shè)計、仿真與實現(xiàn)具有較好的優(yōu)越性。