詳解ARM處理器和FPGA之間的通信技術(shù)

1　前 言

在ARM＋FPGA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)基于ARM的嵌入式處理器和FPGA之間通信最簡(jiǎn)單的方法就是通過異步串行接口EIARS232C。考慮選用集成有UART(Universal Asynchronous Receiver / TraNSmitter )控制器的嵌入式處理器(例如，EP7312)，那么嵌入式處理器一側(cè)就具有了利用異步串行接口收、發(fā)通信的能力。然而，F(xiàn)PGA內(nèi)部并不擁有CPU控制單元，無法處理由UART控制器產(chǎn)生的中斷，所以FPGA一側(cè)不能利用現(xiàn)成的UART控制器構(gòu)成異步串行接口，必須將UART控制器的功能集成到FPGA內(nèi)部。

同一個(gè)系統(tǒng)中的ARM與FPGA之間屬于短距離通信連接，他們之間的異步串行通信并不需要完整的UART功能，那些RS232標(biāo)準(zhǔn)中的聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)線可以省略，僅僅保留收、發(fā)數(shù)據(jù)線和地線，這樣給UART功能的FPGA編程實(shí)現(xiàn)帶來了極大的省略。嵌入式處理器EP7312帶有2個(gè)支持異步串行通信RS232的16550類型的UART，UART1不僅有TX，RX，而且支持Modem控制信號(hào)，UART2只有標(biāo)準(zhǔn)的TX，RX以及地信號(hào)，剛好能夠利用UART2與FPGA實(shí)現(xiàn)通 信。

2　簡(jiǎn)化UART功能的FPGA實(shí)現(xiàn)

本文將詳細(xì)地討論簡(jiǎn)化UART功能在FPGA中的實(shí)現(xiàn)方法。簡(jiǎn)單回顧一下異步串行通信的數(shù)據(jù)格式。圖2表明在異步傳送中串行發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的位定時(shí)關(guān)系(圖中沒有包括奇偶校驗(yàn)位)。發(fā)送一個(gè)完整的字節(jié)信息，首先是一個(gè)作為起始位的邏輯“0”位，接著是8個(gè)數(shù)據(jù)位，然后是1個(gè)、1＋1/2個(gè)或2個(gè)停止位邏輯“1”位，數(shù)據(jù)線空閑時(shí)呈現(xiàn)為高或“1”狀態(tài)。在字符的8位數(shù)據(jù)部分，先發(fā)送數(shù)據(jù)的最低位，最后發(fā)送最高位。每位持續(xù)的時(shí)間是固定的，由發(fā)送器本地時(shí)鐘控制，每秒發(fā)送的數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)，即為“波特率”。起始位和停止位起著很重要的作用。顯然，他們標(biāo)志每個(gè)字符的開始和結(jié)束，但更重要的是他們使接收器能把他的局部時(shí)鐘與每個(gè)新開始接收的字符再同步。異步通信沒有可參照的時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)送器隨時(shí)都可能發(fā)送數(shù)據(jù)，任何時(shí)沿的出現(xiàn)時(shí)間，從而正確地采樣緊接著的10～11位(包括開始位、數(shù)據(jù)位和停止位)。接收器的時(shí)鐘與發(fā)送器的時(shí)鐘不是同一個(gè)，因此，接收器采樣點(diǎn)的間隔跟由發(fā)送器時(shí)鐘所確定的位間隔時(shí)間不同，接收器一定不能讓他的相對(duì)時(shí)鐘速度導(dǎo)致采樣錯(cuò)誤。

比較而言，UART發(fā)送器部分發(fā)送串行數(shù)據(jù)過程的實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，只要對(duì)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)電平做持續(xù)時(shí)間的定時(shí)即可。下面先對(duì)UART接收器部分的FPGA實(shí)現(xiàn)方法做詳細(xì)的描述。

2．1　UART接收器的FPGA實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上的敘述，由于串行數(shù)據(jù)幀與接收時(shí)鐘是異步的，所以接收器功能實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵是接收器時(shí)鐘與每個(gè)接收字符的同步。一個(gè)有效的方法是接收器采用高速率時(shí)鐘對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，通常采樣頻率是位時(shí)鐘頻率的整數(shù)倍。理論上倍數(shù)越高接收數(shù)據(jù)各位的分辨率越高，實(shí)際中，一般最大選擇16倍。

接收器應(yīng)該盡可能地在靠近位周期的中心處對(duì)每位采樣。如果接收器能很好地預(yù)測(cè)起始位的開始，那么他可在起始位的下降沿到來之后，等待半個(gè)位周期再采樣數(shù)據(jù)位。此后，接收器每等待一個(gè)位周期采樣一個(gè)數(shù)據(jù)位，直至收到最后一位為止。倘若接收時(shí)鐘的頻率足夠接近發(fā)送時(shí)鐘，使得最后位能在離該位的精確中心位置半個(gè)周期內(nèi)對(duì)他采樣，以上方案就能正確地工作。這意味著接收時(shí)鐘相對(duì)于發(fā)送時(shí)鐘在10～11個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，其增加和減少應(yīng)小于半個(gè)位的時(shí)間間隔。因此，要求收發(fā)雙方2個(gè)時(shí)鐘的誤差容限在5％以內(nèi)。

本文中接收器的實(shí)現(xiàn)采取5倍速采樣法，也就是接收采樣頻率是串行數(shù)據(jù)位頻率的5倍。圖3是將圖2中的起始位和部分?jǐn)?shù)據(jù)位放大，又把每個(gè)信息位分成5等份，每等份的時(shí)間寬度設(shè)為Ts。以5倍頻對(duì)信息位進(jìn)行采樣時(shí)，每個(gè)信息位都將可能被采樣到5次。當(dāng)處于空閑狀態(tài)并檢測(cè)起始位時(shí)，最早檢測(cè)到起始位低電平的時(shí)刻必將落在S0陰影區(qū)，每次具體的采樣點(diǎn)會(huì)在S0陰影區(qū)隨機(jī)變化。檢測(cè)到起始位低電平后，間隔7×Ts時(shí)間，正好是第1位數(shù)據(jù)位的中間1/5處(圖3中D2陰影區(qū))。此后的數(shù)據(jù)位和停止位的采樣間隔都是5×Ts，所有采樣點(diǎn)均落在碼元的中間1/5處，采樣數(shù)據(jù)最可靠。采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生由計(jì)數(shù)器控制，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘為位時(shí)鐘5倍頻。

為了避免噪聲引起的起始位檢測(cè)錯(cuò)誤，要對(duì)起始位采樣兩次。從空閑狀態(tài)，第1次采樣為低電平后，間隔2個(gè)Ts再采樣一次，如果仍為低電平，才認(rèn)定為有效的起始位；如果為高電平，再回到空閑狀態(tài)等待重新同步。

另外，在采樣停止位的時(shí)候也可以加入保護(hù)機(jī)制： 當(dāng)停止位采樣值為高電平時(shí)，認(rèn)為同步和數(shù)據(jù)正確，裝人數(shù)據(jù)寄存器，否則認(rèn)為同步或傳輸錯(cuò)誤，此次采樣的字符作廢，將其舍棄。簡(jiǎn)化的UART功能框圖如圖4所示。EP7312所帶的UART控制器16550中，F(xiàn)IFO的深度為16 B。實(shí)際FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)根據(jù)具體應(yīng)用的不同，可以用RAM取代FIFO，本文只敘述圖4中接收器和發(fā)送器的實(shí)現(xiàn)方法。

在具體使用硬件描述語(yǔ)言VHDL編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，接收器5倍速采樣法的關(guān)鍵部分使用了一個(gè)狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。

2．2　UART發(fā)送器的FPGA實(shí)現(xiàn)

UART發(fā)送器的FPGA實(shí)現(xiàn)相對(duì)于接收器來說簡(jiǎn)單了很多。沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空，發(fā)送器處于空閑狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器滿信號(hào)后，發(fā)送器即發(fā)送起始位，同時(shí)8個(gè)數(shù)據(jù)位被并行裝入發(fā)送移位寄存器，停止位緊接著數(shù)據(jù)位指示數(shù)據(jù)幀結(jié)束。只有發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空時(shí)，RAM或FIFO中的待發(fā)送數(shù)據(jù)才能被裝入。程序中使用計(jì)數(shù)器保證各位周期定時(shí)正確，仍使用一個(gè)狀態(tài)機(jī)描述發(fā)送過程，圖6是發(fā)送器狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。

3　仿真與結(jié)論

這里選用ACTEL公司的APA600系列的FPGA芯片，仿真工具使用MENTOR公司的ModelSim。圖7是接收器模塊的功能仿真時(shí)序圖，其中只截取了一個(gè)接收數(shù)據(jù)幀的時(shí)間長(zhǎng)度。從圖7中可以看出一個(gè)假起始位被正確判斷，接收器與接收數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步，串行數(shù)據(jù)被準(zhǔn)確接收。狀態(tài)機(jī)狀態(tài)：i代表空閑；rx代表起始位確認(rèn)；s代表數(shù)據(jù)采樣和停止?fàn)顟B(tài)確認(rèn)；g代表數(shù)據(jù)正確接收。

圖8是發(fā)送器模塊功能仿真時(shí)序圖，也是只截取了一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)。圖8中狀態(tài)機(jī)狀態(tài)：first代表空閑；second(時(shí)間太短，圖中未顯示相應(yīng)文字)和third代表發(fā)送數(shù)據(jù)和停止位。

我們已經(jīng)將上述實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化UART功能的編程方法應(yīng)用到了ARM＋FPGA結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的編/拆和發(fā)送/接收串行信息幀模塊中，工作穩(wěn)定，有較高實(shí)用價(jià)值。