基于FPGA和SC16C554實現多串口通信的方法

　　3．2 讀串口數據狀態機的設計

　　一個完整的讀取串口數據操作需要進行三次讀操作：讀中斷狀態寄存器(ISR)、讀線狀態寄存器(LSR)、讀接收保存寄存器(RHR)。由于這三次讀操作具有嚴格的邏輯順序和時序關系，非常適合采用狀態機來描述；所以本設計采用有限狀態機來實現讀取串口數據。圖2為讀通道A數據的狀態轉移圖。

　　State0：空閑狀態，當沒有數據時狀態機一直停留在空閑狀態；

　　State 1：賦IsR寄存器地址給UART_A，置通道標志寄存器CS[2：O]=001(表示A通道)；

　　State2：讀ISR，判斷中斷類型(04為接受數據準備好中斷)，賦LSR寄存器地址給UART、A；

　　State3：讀LSR，判斷是否有數據(LSR[0]=1表示有數據在RHR內)，賦RHR寄存器地址給UART A；

　　State4：讀RHR，讀取串口數據。

　　多通道工作時，可以通過增加狀態機狀態來實現。完成一個通道的讀數操作需要四個狀態，當四個通道同時工作時，狀態機的狀態需要增加到17個。其中Stare5~State8完成對通道B的操作；其中State9~State12完成對通道C的操作；其中State13~State16完成對通道D的操作。

　　3．3 讀時序設計

　　SC16C554的通用讀時序圖如下：

　　其中t6s=0ns t6h=0ns t7h=0ns t7d=10ns t7w=26nst9d=20ns t12h=15ns都為最小值，t12d max="26ns由圖3可以看出"：對串口進行一次讀操作所需的時間T=t6s+t7d+t7w+t9d所以T最小為56ns。本設計采用60MHz時鐘分頻出10MHz時鐘，在一個1OMHz時鐘周期(100ns)內完成一次讀操作。用6 0 MH z時鐘同步一個計數器cscount[2：0]，在第一個6 0MH z時鐘的上升沿(cs_count=3’b000時)置CS為低，并賦對應的地址給UART A；在第二個60MHz時鐘的上升沿(cs_cout=3’b001時)置UART IOR為低；在第四個60MHz時鐘的上升沿(cs_count=3’b011時)置CS、UART IOR為高。這樣UART IOR有效時間為兩個時鐘周期(33ns)，且比CS延時一個時鐘周期(17ns)，完全滿足圖3讀時序的要求。

　　由圖2可知，由空閑狀態State0到完成一次串口數據的讀取，共需要500ns的時間。這樣多通道工作時連續完成四個通道的讀數操作共需2μs，遠小于單個通道連續兩個中斷產生的時間間隔65μs；這樣有效解決了多通道工作時，當讀取數據的過程中其它通道中斷丟失的問題。如：當讀通道A數據的過程中，通道B產生中斷請求；則狀態機完成通道A數據讀取返回到空閑狀態State0，檢測到INTB為高，狀態機進入下一個狀態(State5)進行通道B的數據接收。

　　4 測試結果及分析

　　我們分別對兩種方案進行了測試，結果如下：表2為完全基于DSP接收和發送數據的通信性能測試；表3為基于FPGA接收串口數據的通信性能測試。

　　波特率發送周期數據長度測試結果

　　比較兩種方案的測試結果可以得出以下結論：

　　1單通道工作時：兩種方案的通信性能是一樣的。

　　2多通道同時工作時：由表2測試結果可以看出，每次發送的數據量過大、或發送周期較小時，由于DSP對串口芯片中斷請求的處理速度問題就會造成數據丟失。由表3測試結果可以看出，四通道工作時，發送數據長度為64字節，通道發送周期最小可達10ms；如果發送數據長度減小，通道發送周期還可以更小。該設計性能遠遠好于方案改進前完全基于DSP接收和發送數據的性能；能滿足系統實際工作的需要。

　　5 結束語

　　基于FPGA接收數據的設計有兩個突出的優點：1、極大提高了對串口中斷的響應速度，避免了多通道工作、完全基于DSP接收和發送數據時數據大量丟失的情況；2、完全可編程設置DSP中斷產生條件，解決了原來串口芯片只有1、4、8、14字節四個觸發深度的限制，可編程設置存儲空間范圍內的任意字節的觸發深度，大大減少了DSP的中斷數量，提高了DSP的工作效率。另外程序具有較強的可移植性，當設計需要修改時，只需修改少量代碼，有效降低了設計周期。