基于Wishbone總線的UART IP核的設(shè)計(jì)

隨著集成電路與嵌入式技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，許多嵌入式系統(tǒng)都需要進(jìn)行串行通信，因此在片上嵌入式系統(tǒng)芯片中集成uART（通用異步接發(fā)裝置）的IP核已成為一種趨勢。

　　在基于IP核復(fù)用技術(shù)的集成電路設(shè)計(jì)中，片上總線的選取是最為關(guān)鍵的問題。目前，許多廠商已經(jīng)開發(fā)了適用于各自片上總線標(biāo)準(zhǔn)的UART IP核，例如基于AMBA總線的UART IP核、基于CoreCONnect總線的UART IP核等。如果用戶要使用這些商業(yè)化的UART核，則需要得到授權(quán)。因此從成本、性能、開放性的角度來看，采用開源、易于實(shí)現(xiàn)的Wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出的UART IP核將會擁有廣泛的市場。

　　1 UART IP核的設(shè)計(jì)原理

　　1.1 UART工作原理

　　通用非同步收發(fā)裝置（UART）是計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信的重要組成部分。它將微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行輸出數(shù)據(jù)流，以電平的形式傳輸出去；將微機(jī)系統(tǒng)外部傳送來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供微機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用；在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗(yàn)位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)；在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除狀態(tài)標(biāo)記。

　　對于UART而言，總線上的所有信號都是至關(guān)重要的。這些信號包括所需的控制信息和數(shù)據(jù)。因此總線接口的設(shè)計(jì)決定著UART的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用Wishbone總線作為UART核與微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信的主機(jī)接口。UART核的接口信號如圖1所示。

圖1 UART核的接口信號

　　1.2 Wishbone總線接口

　　在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Wishbone總線結(jié)構(gòu)是一種靈活、開源的設(shè)計(jì)方法。其目的是促進(jìn)設(shè)計(jì)的再利用，簡化系統(tǒng)級芯片的集成問題。通過在IP核之間創(chuàng)建一個總線接口，從而將各個IP核能方便地進(jìn)行連接。這就提高了設(shè)計(jì)的可復(fù)用性和系統(tǒng)的可靠性，加快了產(chǎn)品推向市場的速度。在此之前，IP核之間都是使用非標(biāo)準(zhǔn)的總線規(guī)范進(jìn)行連接的，這就難以實(shí)現(xiàn)復(fù)用。因此采用標(biāo)準(zhǔn)化的E總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)IP核，已成為IC設(shè)計(jì)行業(yè)的主流。

　　在設(shè)計(jì)中，Wishbone總線為微機(jī)系統(tǒng)和UART控制器提供了操作接口。Wishbone總線接口的主要功能是協(xié)調(diào)處理器和UART核之間的信號，使處理器能正確地使用UART核進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　2 UART IP核的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　UART IP核的研發(fā)是遵照RS232協(xié)議和Wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，集成了UART的基本功能。

　　UART IP核的主要技術(shù)特征包括：

　?。?）支持標(biāo)準(zhǔn)RSR232接口標(biāo)準(zhǔn)和Wishbone總線規(guī)范。

　　（2）全雙工獨(dú)立收發(fā)功能。

　?。?）接收通道進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，溢出，產(chǎn)生可選中斷。

　　（4）內(nèi)置支持接收和發(fā)送的16 Byte FIFO。

　?。?）發(fā)送“空”產(chǎn)生可選中斷，接收“滿”產(chǎn)生可選中斷。

　　UART IP核體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 UART IP核體系結(jié)構(gòu)

　　UART IP核內(nèi)部主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊以及Wishbone總線接口模塊。各模塊的設(shè)計(jì)如下。

　　2.1 Wishbone總線接口模塊設(shè)計(jì)

　　Wishbone總線接口模塊將UART IP核與微機(jī)系統(tǒng)相連。該模塊提供Wishbone Master和Wishbone Slave接口。

　　Wishbone總線接口模塊的主要功能如下：

　?。?）提供UART IP核與其他設(shè)備的接口，如存儲器或者主機(jī)的接口。

　?。?）包含緩沖描述符（儲存于內(nèi)部RAM）。

　　（3）包含信號在主機(jī)時鐘、發(fā)送時鐘和接收時鐘之間的同步邏輯。

　?。?）發(fā)送功能。讀取發(fā)送緩沖描述符，讀取數(shù)據(jù)到發(fā)送FIFO并開始發(fā)送，其后將發(fā)送狀態(tài)寫到發(fā)送緩沖描述符。

　?。?）接收功能。讀取接收緩沖描述符，將獲得的字節(jié)寫入接收FIFO，其后通過Wishbone Muter接口與微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。最后，將接收狀態(tài)寫到接收緩沖描述符。

　　當(dāng)處理器需要串行發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)以包的形式存儲于主存儲器中，然后將存儲的所有包的起始地址、目的地址、長度以及發(fā)送控制信息寫入發(fā)送描述符中。

　　Wishbone接口模塊讀取到一個非空的發(fā)送描述符后即發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)要通過Wishbone接口邏輯訪問位于總線上的主存儲器，讀取到的數(shù)據(jù)首先放到發(fā)送FIFO中，其后再通過發(fā)送控制和同步邏輯與數(shù)據(jù)發(fā)送模塊進(jìn)行握手，將數(shù)據(jù)從TX_O端口串行發(fā)送出去。

　　當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)由RX_I端口串行地移入接收FIFO中，每收滿8位數(shù)據(jù)就移入接收保持寄存器，然后通過Wishbone總線并行傳輸給處理器核。

　　2.2 數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)

　　由于外部信號是通過異步串行的形式傳輸，因此當(dāng)接收端口檢測到一個由高到低的數(shù)據(jù)就被視為一個幀的起始位。為了避免接收信號的噪聲而產(chǎn)生的不正確的數(shù)據(jù)，檢測到的起始位時鐘至少要低于50％的波特率時鐘。接收模塊一旦接收到有效的起始位，就將通過RS232標(biāo)準(zhǔn)的波特率對數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位進(jìn)行采樣。

　　設(shè)計(jì)采用接收狀態(tài)機(jī)控制整個模塊的接收過程。接收狀態(tài)機(jī)可分為5個狀態(tài)，即IDLE、RX_START、RX_DATA、CHECK、RX_STOP，它們之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收模塊FSM圖

　　IDLE狀態(tài)：當(dāng)產(chǎn)生復(fù)位信號或運(yùn)行至停止?fàn)顟B(tài)之后，接收狀態(tài)機(jī)將復(fù)位到這種狀態(tài)。處于IDLE狀態(tài)時，它等待外部傳來的信號從高向低轉(zhuǎn)變，此時視為產(chǎn)生了一個有效的起始位。一旦有效起始位被檢測到，有限狀態(tài)機(jī)就會切換到下個狀態(tài)。

　　RX_DATA狀態(tài)：當(dāng)狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到此狀態(tài)時，采樣每得到一位數(shù)據(jù)，就把接收到數(shù)據(jù)放到準(zhǔn)備好的接收移位寄存器中。在設(shè)計(jì)中需要一個接收計(jì)數(shù)器來進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器提示數(shù)據(jù)接收已完成，則狀態(tài)機(jī)會轉(zhuǎn)入下個狀態(tài)。

　　CHECK狀態(tài)：當(dāng)處于CHECK狀態(tài)時，通過對實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷得出實(shí)際數(shù)據(jù)的奇偶性，然后再與發(fā)送過來的數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。

　　如果符合，那么表示接收數(shù)據(jù)有效，可以傳入處理器；如不符，則不傳，直接丟棄數(shù)據(jù)。

　　RX_STOP狀態(tài)：無論停止位長度設(shè)定為1位或者是2位，有限狀態(tài)機(jī)總是等待1位樣本的采樣時間，然后抽樣停止位。只要一個邏輯采樣停止位被檢測到，數(shù)據(jù)接收模塊就不會去檢查是否停止位的配置出現(xiàn)錯誤。此時，有限狀態(tài)機(jī)將返回IDLE狀態(tài)。

　　2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

　　發(fā)送模塊將從處理器接收到的數(shù)據(jù)，加上起始位，奇偶檢驗(yàn)位和停止位組成規(guī)定的格式后串行輸出。首先，利用緩存器FIFO存放需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣處理器可以一次往FIFO中寫入多個字節(jié)的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時依次從FIFO中每次取出1Byte進(jìn)行串行輸出。

　　設(shè)計(jì)采用發(fā)送狀態(tài)機(jī)來控制整個模塊的發(fā)送過程。發(fā)送狀態(tài)機(jī)由以下5個狀態(tài)組成：IDLE、TX_START、TX_DATA、CHECK、TX_STOP，它們的轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊FSM圖

　　IDLE狀態(tài)：在沒有接收到將要發(fā)送的數(shù)據(jù)時，發(fā)送模塊一直處于該狀態(tài)，此刻一直保持發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)位為高，當(dāng)?shù)玫街鳈C(jī)發(fā)出的工作信號時，發(fā)生狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，進(jìn)入下個狀態(tài)。

　　TX_START狀態(tài)：發(fā)送模塊會先發(fā)送一個數(shù)據(jù)“0”，作為起始位。起始位傳送完畢后，轉(zhuǎn)入下個狀態(tài)。

　　TX_DATA狀態(tài)：發(fā)送完起始位后，接著發(fā)送由主機(jī)傳來的有效數(shù)據(jù)。首先把數(shù)據(jù)存入模塊內(nèi)的移位寄存器中，利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)并行輸入到串行輸出的轉(zhuǎn)換。同時計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，計(jì)數(shù)器清零，F(xiàn)SM隨即跳入下個狀態(tài)。

　　CHECK狀態(tài)：當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于這個狀態(tài)，最后1位數(shù)據(jù)仍然在傳輸。傳輸完成時，狀態(tài)機(jī)將判斷校驗(yàn)位。如果校驗(yàn)位無誤，則進(jìn)入下個狀態(tài)。

　　TX_STOP狀態(tài)：在此狀態(tài)下，根據(jù)發(fā)送模塊的采樣結(jié)果，將設(shè)置相關(guān)中斷和狀態(tài)位。發(fā)送完畢后，狀態(tài)機(jī)返回IDLE狀態(tài)。

　　3 UART IP核的驗(yàn)證方法

　　對UART IP核的驗(yàn)證主要是在Modelsim軟件構(gòu)建的虛擬平臺中進(jìn)行的，通過編寫Testbench（測試代碼）作為激勵信號，將得到的值與期望值進(jìn)行比較，從而判斷功能是否正確。驗(yàn)證系統(tǒng)框圖，如圖5所示。

圖5 驗(yàn)證系統(tǒng)框圖

　　本次驗(yàn)證施加的測試激勵包括兩個部分，一部分是模擬發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，如總線對于模塊內(nèi)部寄存器的讀信號，UART串口輸出信號和設(shè)備的硬件接口信號等，驗(yàn)證模塊的正常功能是否實(shí)現(xiàn)；另一部分是模擬接收數(shù)據(jù)的過程，如外部設(shè)備對UART發(fā)送的數(shù)據(jù)接收過程，以及UART 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)送給微機(jī)系統(tǒng)。仿真波形圖，如圖6所示。

圖6 仿真波形圖

　　仿真波形圖模擬的是UART在全雙工的模式下同時接收一個完整的數(shù)據(jù)（51，16進(jìn)制）和發(fā)送一個完整的數(shù)據(jù)（11，16進(jìn)制）的過程。以接收過程為例：UART首先輸出發(fā)送UART_INT中斷信號，通知處理器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，處理器響應(yīng)中斷。UART通過采樣脈沖（Baud）將信號寫入RX_UDR接收寄存器中，同時接收計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到8時自動清零，中斷信號自動清除，隨后將接收到的8位數(shù)據(jù)通過總線模塊傳入處理器中。發(fā)送過程為接收的逆過程。

　　4 結(jié)束語

　　IP核重用技術(shù)以及接口標(biāo)準(zhǔn)化問題是IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓展。本文介紹的基于Wishbone總線的UART IP核的設(shè)計(jì)方法，通過驗(yàn)證表明了各項(xiàng)功能達(dá)到預(yù)期要求，為IP核接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。此外，該IP核代碼全部采用模塊化的Verilog-HDL語言編寫，便于以后不斷完善，具有較強(qiáng)的實(shí)際效益。