將UART功能集成到FPGA內部實現(xiàn)多模塊的設計

異步串行通信要求的傳輸線少，可靠性高，傳輸距離遠，被廣泛應用于微機和外設的數(shù)據(jù)交換。實現(xiàn)串口通信主要需要完成兩部分工作：

將串口電平轉換為設備電路板的工作電平，即實現(xiàn)RS-232電平和TTL/CMOS電平的轉換；

接收并且檢驗串行的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)變成并行的并提供給處理器處理。

實現(xiàn)RS-232電平和TTL/CMOS電平轉換可以用接口芯片來實現(xiàn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行到并行轉換用的是UART，它們是實現(xiàn)串行通信必不可少的兩個部分。雖然目前大部分處理器芯片中都集成了UART，但是一般FPGA芯片卻沒有這個特點，所以使用FPGA作為處理器可以有兩個選擇，第一個選擇是使用UART芯片進行串并轉換，第二個選擇是在FPGA內部實現(xiàn)UART功能。但所有的UART芯片都存在引腳較多、體積較大、與其他器件的接口較為復雜等缺點，從而會使設計的成本和難度增加。因此可以將需要的UART功能集成到FPGA內部，而利用VHDL語言將UART的核心功能集成，不僅解決傳統(tǒng)芯片的缺點，也使整個設計更加緊湊、穩(wěn)定且可靠。

1、UART實現(xiàn)原理

UART主要有UART內核、信號監(jiān)測器、移位寄存

器、波特率發(fā)生器、計數(shù)器、總線選擇器和奇偶校驗器總共7個模塊組成，如圖一所示。

UART各個模塊的功能如下：

（1）UART內核模塊

UART內核模塊是整個設計的核心。在數(shù)據(jù)接收時，UART內核模塊負責控制波特率發(fā)生器和移位寄存器，使得移位寄存器在波特率始終的驅動下同步的接收并且保存RS-232接收端口上的串行數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送時，UART內核模塊首先根據(jù)待發(fā)送的數(shù)據(jù)和奇偶校驗位的設置產(chǎn)生完整的發(fā)送序列（包括起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位），之后控制移位寄存器將序列加在到移位寄存器的內部寄存器里，最后再控制波特率發(fā)生器驅動移位寄存器將數(shù)據(jù)串行輸出。

（2）信號監(jiān)督器模塊

信號檢測器用于對RS-232的輸入信號進行實時檢測，一旦發(fā)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)則立即通知UART內核。

（3）移位寄存器模塊

移位寄存器的作用是存儲輸入或者輸出的數(shù)據(jù)。當UART接受RS-232輸入時，移位寄存器在波特率模式下采集RS-232輸入信號，并且保存結果；當UART進行RS-232輸出時，UART內核首先將數(shù)據(jù)加載到移位寄存器內，再使移位寄存器在波特率模式下將數(shù)據(jù)輸出到RS-232輸出端口上。

（4）波特率發(fā)生器模塊

由于RS-232傳輸必定是工作在某種波特率下，比如9600，為了便于和RS-232總線進行同步，需要產(chǎn)生符合RS-232傳輸波特率的時鐘，這就是波特率發(fā)生器的功能。

（5）奇偶檢驗器模塊

奇偶校驗器模塊是根據(jù)奇偶校驗的設置和輸入數(shù)據(jù)計算出相應的奇偶校驗位，它是通過純組合邏輯實現(xiàn)的。

（6）總線選擇模塊

總線選擇模塊用于選擇奇偶校驗器的輸入是數(shù)據(jù)發(fā)送總線還是數(shù)據(jù)接收總線。在接收數(shù)據(jù)時，總線選擇模塊將數(shù)據(jù)接收總線連接到奇偶校驗器的輸入端，來檢查已接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗位是否正確；而在發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線選擇模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送總線連接到奇偶檢驗器的輸入端，UART內核模塊就能夠獲取并且保存待發(fā)送序列所需的奇偶校驗位了。

（7）計數(shù)器模塊

計數(shù)器模塊的功能是記錄串行數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收的數(shù)目，在計數(shù)到某數(shù)值時通知UART內核模塊。

2、UART工作流程

UART的工作流程可以分為接收過程和發(fā)送過程兩部分。

接收過程指的是UART監(jiān)測到RS-232總線上的數(shù)據(jù)，順序讀取串行數(shù)據(jù)并且將其輸出給CPU的過程。當信號監(jiān)測器監(jiān)測到新的數(shù)據(jù)（RS-232輸入邏輯變?yōu)?，即RS-232傳輸協(xié)議的起始位）就會觸發(fā)接收過程，其流程圖如圖二所示。首先UART內核會重置波特率發(fā)生器和移位寄存器，并且設置移位寄存器的工作模式為波特率模式，以準備接收數(shù)據(jù)。其次，移位寄存器在波特率始終的驅動下工作，不斷讀取RS-232串行總線的輸入數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)保存在內部的寄存器內。接收完成后，UART內核會對已接收的數(shù)據(jù)進行奇偶檢驗并且輸出校驗結果。最后，UART內核會重置信號監(jiān)測器，以準備進行下一次數(shù)據(jù)接收。

發(fā)送過程由加載和發(fā)送兩個步驟組成，如圖三所示。加載步驟是UART內核按RS-232串行發(fā)送的順序將起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位加載到移位寄存器內，這個過程工作在系統(tǒng)時鐘下，相對于RS-232的傳輸速度來說非?？臁Ｍ瓿杉虞d步驟后，UART內核會重置波特率發(fā)生器，并且設置移位寄存器工作在波特率模式下，于是移位寄存器便在波特率時鐘的驅動下依次將加載的數(shù)據(jù)發(fā)送到RS-232的發(fā)送端TxD，這樣便產(chǎn)生了RS-232的數(shù)據(jù)發(fā)送時序。

3、UART各個模塊的實現(xiàn)

除UART內核模塊以外，其他模塊都較為簡單，用于實現(xiàn)某一具體功能?，F(xiàn)在重點對UART內核模塊的實現(xiàn)做出介紹。

UART內核模塊的功能是控制數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)加載和數(shù)據(jù)發(fā)送的過程，這可以用狀態(tài)機來實現(xiàn)。下面就按接收和發(fā)送的過程來介紹UART內核模塊狀態(tài)機的實現(xiàn)。

（1）數(shù)據(jù)接收過程

數(shù)據(jù)接收過程的流程圖如圖二所示，可以定義3個狀態(tài)——空閑、接收和接收完成，其中狀態(tài)變換圖如圖四所示。

（2）數(shù)據(jù)加載和發(fā)送過程

數(shù)據(jù)加載和發(fā)送過程都是為了發(fā)送數(shù)據(jù)而設定的，所以將它們放在一起進行介紹?？梢杂?個狀態(tài)來實現(xiàn)上述的過程，即空閑、加載、發(fā)送和發(fā)送完成，其中的空閑狀態(tài)就是UART內核復位后的空閑狀態(tài)，和上面介紹的數(shù)據(jù)接收過程的空閑狀態(tài)一致。

數(shù)據(jù)加載和發(fā)送過程的狀態(tài)轉換圖如圖五所示。

4、仿真結果

在波特率為9600情況下對UART進行仿真，結果穩(wěn)定可靠。該設計具有很好的可讀性和靈活性，具有很好的參考價值。