王昱煜

本文介紹了一種利用FPGA實(shí)現(xiàn)UART通用異步收發(fā)器模塊的方法，所設(shè)計(jì)的UART模塊充分利用了FPGA硬件可編程性、高度集成性、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。實(shí)踐測(cè)試表明，該模塊設(shè)計(jì)具有高可靠性、便于擴(kuò)展和移植的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】FPGA UART 狀態(tài)機(jī)

通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）是數(shù)字通信領(lǐng)域流行和廣泛使用的一種接口設(shè)備，它可以和各種標(biāo)準(zhǔn)串行接口，如RS232、RS485等進(jìn)行異步通信，具有傳輸距離遠(yuǎn)、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

一般來說UART通信需要使用專門的接口協(xié)議芯片，但是這種協(xié)議芯片存在體積較大、接口復(fù)雜且成本較高的缺點(diǎn)。此外，這種芯片的結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)固定，在設(shè)計(jì)中缺乏靈活性。本文介紹了利用FPGA實(shí)現(xiàn)UART通訊的方法，將原來UART專用協(xié)議芯片的功能集成到了FPGA中，提高了設(shè)計(jì)的靈活性與可靠性。

1 UART通訊原理

支持UART的串行接口目前比較常用的有RS232、RS422、RS485等，它們之間的區(qū)別主要表現(xiàn)在電氣特性上，但最基本的通訊原理是一樣的。UART模塊接收/發(fā)送的都是符合TTL（或CMOS）標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平，與外設(shè)之間還需要經(jīng)過專門的轉(zhuǎn)換芯片將通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合RS232、RS422或RS485標(biāo)準(zhǔn)的電平。

UART作為一種異步串行通訊方式，數(shù)據(jù)在通訊過程中是字節(jié)為單位按位傳輸，一般從最低有效位（LSB）開始。典型的UART通訊數(shù)據(jù)格式如圖1所示。

2 UART的FPGA實(shí)現(xiàn)

UART通訊模塊內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2，可分為控制模塊、接收模塊和發(fā)送模塊，各個(gè)模塊的主要功能如下：

控制模塊：根據(jù)CPU寫入的數(shù)據(jù)配制UART通訊參數(shù)，并根據(jù)接收、發(fā)送模塊回送的指令產(chǎn)生相應(yīng)中斷上報(bào)給CPU，對(duì)接收、發(fā)送模塊狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、管理；

接收模塊：該模塊主要用于將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，再以本地總線形式發(fā)送給CPU。此外，該模塊還將接收過程中的參數(shù)上報(bào)給控制模塊，用于監(jiān)控管理以及接收中斷、錯(cuò)誤中斷的產(chǎn)生。

發(fā)送模塊：該模塊主要用于將CPU要發(fā)送的數(shù)據(jù)在控制邏輯的調(diào)度下轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)后發(fā)送出去，此外該模塊還將發(fā)送過程中的參數(shù)上報(bào)給控制模塊，用于監(jiān)控管理以及發(fā)送中斷、錯(cuò)誤中斷的產(chǎn)生。

2.1 接收模塊的設(shè)計(jì)

該模塊的數(shù)據(jù)接收過程通過一個(gè)狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)移所用的時(shí)鐘是波特率時(shí)鐘16倍頻clk16x。整個(gè)工作流程如下：

2.1.1 系統(tǒng)復(fù)位后

狀態(tài)機(jī)進(jìn)入idle狀態(tài)等待起始位，當(dāng)接收端電平由高變?yōu)榈停≧XD值由1變?yōu)?）時(shí)即為檢測(cè)到了一個(gè)起始位，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入start狀態(tài)；

2.1.2 start狀態(tài)下

等待8個(gè)clk16x周期后再判斷一次RXD的值，若不為0，則說明之前接收到的是由于線上干擾而引起的虛假起始位，狀態(tài)機(jī)返回idle狀態(tài)；若仍為0則再等待8個(gè)clk16x周期后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入shift狀態(tài)；

2.1.3 shift狀態(tài)下

模塊每隔16個(gè)clk16x周期從RXD上讀取1bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位操作，直到讀完全部8bit數(shù)據(jù)后，若奇偶校驗(yàn)被使能，則狀態(tài)機(jī)進(jìn)入parity狀態(tài)，否則直接進(jìn)入stop狀態(tài)；

2.1.4 parity狀態(tài)下

模塊等待16個(gè)clk16x周期從RXD上讀取1bit的奇偶校驗(yàn)位的值，之后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入stop狀態(tài)；

2.1.5 stop狀態(tài)下

模塊等待16個(gè)clk16x周期從RXD上讀取1bit的停止位的值，之后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入done狀態(tài)，停止位值經(jīng)取反操作后用做幀錯(cuò)誤校驗(yàn)位；

2.1.6 done狀態(tài)下

若奇偶校驗(yàn)被使能，且奇偶檢驗(yàn)與幀校驗(yàn)均正確，或奇偶校驗(yàn)未被使能，但幀校驗(yàn)正確時(shí)，移位寄存器中的8bit數(shù)據(jù)被存入接收FIFO中，否則該數(shù)據(jù)被丟棄。狀態(tài)機(jī)將在1個(gè)clk16x周期后返回idle，等待新數(shù)據(jù)。

2.2 發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)

該模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送過程通過一個(gè)狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)移所用的時(shí)鐘是波特率時(shí)鐘16倍頻clk16x。整個(gè)工作流程如下：

2.2.1 系統(tǒng)復(fù)位后

狀態(tài)機(jī)進(jìn)入idle狀態(tài)等待發(fā)送FIFO中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO的非空標(biāo)志被置位時(shí)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入start狀態(tài)；

2.2.2 start狀態(tài)下

模塊先發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)起始位，同時(shí)從FIFO中讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)放入發(fā)送移位寄存器，然后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入shift狀態(tài)；

2.2.3 shift狀態(tài)下

模塊按照LSB在前，MSB在后的順序，每間隔16個(gè)clk16x周期從移位寄存器中移出1bit的數(shù)據(jù)，直到移完全部8bit數(shù)據(jù)后，若奇偶校驗(yàn)被使能，則狀態(tài)機(jī)進(jìn)入parity狀態(tài)，否則直接進(jìn)入stop狀態(tài)；

2.2.4 parity狀態(tài)下

模塊等待16個(gè)clk16x周期從TXD上發(fā)出1bit的奇偶校驗(yàn)位，之后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入stop狀態(tài)；

2.2.5 stop狀態(tài)下

模塊等待16個(gè)clk16x周期從TXD上發(fā)出1bit的停止位（TXD上為1），之后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入done狀態(tài)；

2.2.6 done狀態(tài)下

表示一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，狀態(tài)機(jī)在1個(gè)clk16x周期后直接回到idle狀態(tài)，等待發(fā)送新的數(shù)據(jù)。

2.3 控制模塊的設(shè)計(jì)

控制模塊的主要作用是根據(jù)CPU寫入的參數(shù)對(duì)UART進(jìn)行配制，此外還能根據(jù)接收/發(fā)送模塊的工作狀態(tài)產(chǎn)生中斷，并上報(bào)給CPU。該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)由一個(gè)波特率時(shí)鐘發(fā)生器、三個(gè)寄存器以及中斷仲裁邏輯組成。

波特率時(shí)鐘發(fā)生器能對(duì)輸入的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻操作，從而產(chǎn)生相應(yīng)的波特率16倍頻后的時(shí)鐘clk16x。

三個(gè)寄存器分別是控制寄存器（conreg）、中斷使能寄存器（int_en_reg）以及狀態(tài)寄存器（statusreg）。其中conreg和int_en_reg是只寫存儲(chǔ)器，它們分別用于存儲(chǔ)CPU寫入的UART配制參數(shù)以及中斷使能條件，UART即按照這兩個(gè)寄存器中被寫入的參數(shù)進(jìn)行工作；statusreg是只讀存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)了UART工作時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，CPU通過讀取這些狀態(tài)信息來做出相應(yīng)的操作。

控制模塊在中斷被使能的前提下，根據(jù)中斷仲裁邏輯，向CPU發(fā)送三種中斷：錯(cuò)誤中斷、接收中斷、發(fā)送中斷。這三種中斷的產(chǎn)生條件如下：

（1）錯(cuò)誤中斷。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，若奇偶校驗(yàn)或幀校驗(yàn)錯(cuò)誤，則在接收端RXD上的串行數(shù)據(jù)全部移入移位寄存器后，該中斷即被置位；

（2）接收中斷。在接收到新數(shù)據(jù)，并且接收到的數(shù)據(jù)被保存至接收FIFO后，該中斷即被置位；

（3）發(fā)送中斷。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)被發(fā)送移位寄存器讀空以后，該中斷即被置位。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于FPGA設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)UART的方法，通過利用FPGA片上邏輯資源來實(shí)現(xiàn)UART的基本功能，其通訊波特率、校驗(yàn)方法、中斷方式均可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配制。此外，利用FPGA的可重配置性，還可以在FPGA上方便的實(shí)現(xiàn)多路UART通訊擴(kuò)展，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，能有效減少系統(tǒng)的PCB面積，降低系統(tǒng)的功耗，提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性，并可方便地進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和移植。

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作者單位

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