用FPGA/CPLD設計UART

UART（即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用異步收發器）是廣泛使用的串行數據傳輸協議。UART允許在串行鏈路上進行全雙工的通信。---串行外設用到RS232-C 異步串行接口，一般采用專用的集成電路即UART 實現。如8250、8251、NS16450等芯片都是常見的UART器件，這類芯片已經相當復雜，有的含有許多輔助的模塊（如FIFO），有時我們不需要使用完整的UART的功能和這些輔助功能。或者設計上用到了FPGA/CPLD器件，那么我們就可以將所需要的UART功能集成到FPGA內部。使用VHDL將UART的核心功能集成，從而使整個設計更加緊湊、穩定且可靠。本文應用EDA技術，基于FPGA/CPLD器件設計與實現UART。

一 UART 簡介

1 UART 結構--- UART主要有由數據總線接口、控制邏輯、波特率發生器、發送部分和接收部分等組成。---功能包括微處理器接口，發送緩沖器（tbr）、發送移位寄存器（tsr）、幀產生、奇偶校驗、并轉串、數據接收緩沖器（rbr）、接收移位寄存器（rsr）、幀產生、奇偶校驗、串轉并。---圖1 是UART 的典型應用。

2 UART 的幀格式--- UART 的幀格式如圖2 所示。

---包括線路空閑狀態（idle，高電平）、起始位(start bit，低電平)、5～8位數據位(data bits)、校驗位(parity bit，可選)和停止位(stop bit，位數可為1、1.5、2 位)。---這種格式是由起始位和停止位來實現字符的同步。--- UART 內部一般有配置寄存器，可以配置數據位數（5～8 位）、是否有校驗位和校驗的類型、停止位的位數（1，1.5，2）等設置。

二 UART 的設計與實現

1 UART 發送器---發送器每隔16個CLK16時鐘周期輸出1位，次序遵循1位起始位、8位數據位（假定數據位為8位）、1位校驗位（可選）、1位停止位。--- CPU何時可以往發送緩沖器tbr寫入數據，也就是說CPU要寫數據到tbr時必須判斷當前是否可寫，如果不判這個條件，發送的數據會出錯。---數據的發送是由微處理器控制，微處理器給出wen 信號，發送器根據此信號將并行數據din[7..0]鎖存進發送緩沖器tbr[7..0]，并通過發送移位寄存器tsr[7..0]發送串行數據至串行數據輸出端dout。在數據發送過程中用輸出信號tre作為標志信號，當一幀數據發送完畢時，tre信號為1，通知CPU在下個時鐘裝入新數據。---發送器端口信號如圖3 所示。

---引入發送字符長度和發送次序計數器length_no，實現的部分VHDL 程序如下。

--- if std_logic_vector(length_no) = “0001” then --- tsr <= tbr ; --發送緩沖器tbr 數據進入發送移位寄存器tsr --- tre <= '0' ; --發送移位寄存器空標志置“0” --- elsif std_logic_vector(length_no) = “0010” then --- dout <= '0' ; --發送起始位信號“0” --- elsif std_logic_vector(length_no) >= “0011” and std_logic_vector(length_no) <= “1010” then --- tsr <= '0' & tsr(7 downto 1); --從低位到高位進行移位輸出至串行輸出端dout --- dout <= tsr(0) ; --- parity <= parity xor tsr(0) ; --奇偶校驗--- elsif std_logic_vector(length_no) = “1011” then --- dout <= parity ; 校驗位輸出--- elsif std_logic_vector(length_no) = “1100” then --- dout <= '1' ; --停止位輸出--- tre <= '1' ; --發送完畢標志置“1” --- end if ;

---發送器仿真波形如圖4 所示。2 UART 接收器---串行數據幀和接收時鐘是異步的，發送來的數據由邏輯1 變為邏輯0 可以視為一個數據幀的開始。接收器先要捕捉起始位，確定rxd輸入由1到0，邏輯0要8個CLK16時鐘周期，才是正常的起始位，然后在每隔16個CLK16時鐘周期采樣接收數據，移位輸入接收移位寄存器rsr，最后輸出數據dout。還要輸出一個數據接收標志信號標志數據接收完。---接收器的端口信號如圖5 所示。

---實現的部分VHDL 程序如下。

--- elsif clk1x'event and clk1x = '1' then ---if std_logic_vector(length_no) >= “0001” and std_logic_vector(length_no) <= “1001” then -----數據幀數據由接收串行數據端移位入接收移位寄存器---rsr(0) <= rxda ; --- rsr(7 downto 1) <= rsr(6 downto 0) ; --- parity <= parity xor rsr(7) ; --- elsif std_logic_vector(length_no) = “1010” then --- rbr <= rsr ; --接收移位寄存器數據進入接收緩沖器--- ...... --- end if ;

---接收器仿真波形如圖6 所示。

3 波特率發生器--- UART 的接收和發送是按照相同的波特率進行收發的。波特率發生器產生的時鐘頻率不是波特率時鐘頻率，而是波特率時鐘頻率的16倍，目的是為在接收時進行精確地采樣，以提出異步的串行數據。---根據給定的晶振時鐘和要求的波特率算出波特率分頻數。---波特率發生器仿真波形如圖7 所示。

三小結---通過波特率發生器、發送器和接收器模塊的設計與仿真，能較容易地實現通用異步收發器總模塊，對于收發的數據幀和發生的波特率時鐘頻率能較靈活地改變，而且硬件實現不需要很多資源，尤其能較靈活地嵌入到FPGA/CPLD的開發中。在EDA技術平臺上進行設計、仿真與實現具有較好的優越性。