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帶硬件地址識(shí)別的UART IP 的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
摘要：在通信和控制系統(tǒng)中，常使用異步串行通信控制器(UART)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輔助信息的傳輸。為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信，通常用軟件識(shí)別發(fā)往本站點(diǎn)或其它站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這會(huì)加大CPU的開銷。介紹了一種基于FPGA的UART IP，由硬件實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信時(shí)的數(shù)據(jù)過濾功能，降低了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞：UART 多點(diǎn)通信 FPGA 知識(shí)產(chǎn)權(quán)
在通信和控制系統(tǒng)中，常使用異步串行通信實(shí)現(xiàn)多塊單板之間的輔助通信，各個(gè)單板通過總線方式連接。為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，需要由軟件定義一套較復(fù)雜的通信協(xié)議，過濾往來(lái)的數(shù)據(jù)，消耗了CPU較多的時(shí)間。89C51單片機(jī)有一種九位通信方式，采用一位地址位來(lái)實(shí)現(xiàn)通信對(duì)象的選擇，只對(duì)發(fā)往本地址的地址發(fā)生中斷進(jìn)而接收數(shù)據(jù)。通用的UART芯片如16C550和89C51等構(gòu)成總線式的通信系統(tǒng)時(shí)，需要由CPU通過軟件處理接收到的地址和產(chǎn)生九位的數(shù)據(jù)。本文介紹的UART采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)，可以用FPGA實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用于SoC設(shè)計(jì)中。其主要特性如下：(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)
·全硬件地址識(shí)別，過濾數(shù)據(jù)不需要CPU的介入；支持一個(gè)特殊地址，可用于監(jiān)聽和廣播。
·支持查詢和中斷兩種工作方式，中斷可編程。
·接收和發(fā)送通路分別有128Byte FIFO，每個(gè)接收字節(jié)附帶狀態(tài)信息。
·設(shè)計(jì)采用Verilog HDL語(yǔ)言，全同步接口，可移植性好。
·支持自環(huán)測(cè)試功能。
·波特率可以編程，支持八位或者九位兩種數(shù)據(jù)格式。
設(shè)計(jì)的UART的九位串行數(shù)據(jù)格式如圖1所示。在空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)線處于高電平狀態(tài)。總線由高到低跳變，寬度為一個(gè)波特率時(shí)間的負(fù)脈沖為開始位，然后是8bit的數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位后面是lbit的地址信息位。如果此位是1，表示發(fā)送的字節(jié)是地址信息；如果此位是0，傳輸?shù)氖钦?shù)據(jù)信息。地址指示位后是串行數(shù)據(jù)的停止位。
1 UART設(shè)計(jì)
UART采用模塊化、層次化的設(shè)計(jì)思想，全部設(shè)計(jì)都采用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)，其組成框圖如圖2所示。整個(gè)UART IP由串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、串行數(shù)據(jù)接收模塊、接收地址識(shí)別模塊、接收和發(fā)送HIFO、總線接口邏輯、寄存器和控制邏輯構(gòu)成。串行發(fā)送模塊和接收完成并/串及串/并的轉(zhuǎn)換，接收地址的識(shí)別由接收地址識(shí)別模塊完成。發(fā)送和接收HIFO用于緩存發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。總線接口邏輯用于連接UART IP內(nèi)部總線和HOST接口。寄存器和控制邏輯實(shí)現(xiàn)UART IP內(nèi)部所有數(shù)據(jù)的收發(fā)、控制和狀態(tài)寄存器、內(nèi)部中斷的控制及波特率信號(hào)的產(chǎn)生。以下詳細(xì)說明主要部分的設(shè)計(jì)原理。
1.1 串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊
串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)或地址碼由并行轉(zhuǎn)換為串行，并從串行總線輸出。設(shè)計(jì)采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，分為空閑、取數(shù)、發(fā)送三個(gè)狀態(tài)。其狀態(tài)遷移如圖3所示。各個(gè)狀態(tài)說明如下：
空閑狀態(tài)：狀態(tài)機(jī)不斷檢測(cè)發(fā)送使能位、UART使能位和發(fā)送FIFO空/滿標(biāo)志位，如果使能位為高、UART使能打開且FIFO空標(biāo)志位為低，串行發(fā)送進(jìn)入取數(shù)狀態(tài)。
取數(shù)狀態(tài)：在此狀態(tài)，分兩個(gè)周期從發(fā)送FIFO中取出待發(fā)送的數(shù)據(jù)或者地址，然后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。
發(fā)送狀態(tài)：在此狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)按照九位串行數(shù)據(jù)的格式依次發(fā)送開始位、數(shù)據(jù)位、地址指示位。待停止位發(fā)送完畢后，返回空閑狀態(tài)。一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，進(jìn)行下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送流程。
1.2 串行數(shù)據(jù)接收模塊
串行數(shù)據(jù)接收模塊用于檢測(cè)串行數(shù)據(jù)的開始位，將串行總線上的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)并輸出。接收邏輯也采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，分為空閑狀態(tài)、尋找開始位、接收數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)四個(gè)狀態(tài)。其狀態(tài)遷移圖如圖4所示。各個(gè)狀態(tài)說明如下：
空閑狀態(tài)：在此狀態(tài)，不斷檢測(cè)接收使能、UART使能和串行輸入信號(hào)的狀態(tài)。如果串行輸入信號(hào)出現(xiàn)由高到低的電平變化且UART使能和接收使能都為高，則將采樣計(jì)數(shù)器復(fù)位，并進(jìn)入尋找開始位狀態(tài)。
尋找開始位：在此狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)等待半個(gè)波特率的時(shí)間，然后重新檢測(cè)串行輸入的電平。如果為低，則判斷收到的開始位有效，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)；否則認(rèn)為數(shù)據(jù)總線上出現(xiàn)干擾，開始位無(wú)效，重新返回空閑狀態(tài)。
接收數(shù)據(jù)：在此狀態(tài)，依次接收串行數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)位、地址指示位和停止位，結(jié)束后進(jìn)入保存數(shù)據(jù)狀態(tài)。
保存數(shù)據(jù)：此狀態(tài)將收到的串行數(shù)據(jù)以并行方式從接口的并行總線輸出，然后返回空閑狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的搜索和接收。
為提高對(duì)串行輸入上突發(fā)干擾的抵抗能力，對(duì)于接收數(shù)據(jù)，在脈沖的中間位置連續(xù)采樣三次，較多的電平作為接收的有效數(shù)據(jù)。所有接收數(shù)據(jù)的采樣頻率為接收波特率的16倍。
1.3 硬件地址識(shí)別模塊
硬件地址識(shí)別模塊用于從接收到的數(shù)據(jù)中判斷出地址和數(shù)據(jù)，在地址識(shí)別功能打開時(shí)，選擇數(shù)據(jù)通過或者丟棄；而該功能關(guān)閉時(shí)，所有數(shù)據(jù)都會(huì)通過。地址識(shí)別模塊是一個(gè)有兩個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)，分為地址和數(shù)據(jù)兩個(gè)狀態(tài)。其狀態(tài)遷移圖如圖5所示。狀態(tài)說明如下：
地址狀態(tài)：在此狀態(tài)時(shí)，判斷接收到的數(shù)據(jù)以及地址識(shí)別使能位。如果地址識(shí)別功能沒有打開，對(duì)于接收的任何地址，都進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)。如果地址識(shí)別功能打開，則將收到的地址和本地地址比較，如果相等，則保存此地址，進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)；否則繼續(xù)在此狀態(tài)接收數(shù)據(jù)和地址，將收到的數(shù)據(jù)忽略。
數(shù)據(jù)狀態(tài)：將接收到的數(shù)據(jù)輸出，直到收到地址位時(shí)，返回地址狀態(tài)，處理地址。
為實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽和廣播功能，將地址255作為特殊地址，它可以和任何地址匹配。若本站的地址為255，此站點(diǎn)可以接收任何地址的數(shù)據(jù)，此功能可以用于監(jiān)聽總線上的數(shù)據(jù)；若發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址為255，則任何站點(diǎn)都會(huì)接收到此數(shù)據(jù)，此功能可以用于發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。
1.4 FIFO設(shè)計(jì)
FIFO由控制邏輯和雙口RAM組成，控制邏輯用來(lái)實(shí)現(xiàn)將一個(gè)雙口RAM轉(zhuǎn)換成兩個(gè)FIFO的功能，這兩個(gè)FIFO分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)緩存；中斷控制用于在中斷工作方式時(shí)管理UART內(nèi)部的中斷狀態(tài)和控制信息。
為減少所需塊RAM的數(shù)量，接收和發(fā)送FIFO使用同一個(gè)塊RAM實(shí)現(xiàn)，使用仲裁機(jī)制保證兩個(gè)FIFO的四個(gè)端口，在同一時(shí)刻最多只有兩個(gè)操作，不影響對(duì)FIFO的讀寫。
1.5 總線接口
UART采用同步接口，所有信號(hào)都在系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿采樣，設(shè)備的握手用一位應(yīng)答信號(hào)完成。
數(shù)據(jù)總線寬度采用8+2的方式。和16位或者32位寬度的數(shù)據(jù)總線連接時(shí)，可以一次讀取接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)和地址指示位，減少總線操作次數(shù)；若和8位系統(tǒng)連接，可以只連接低8位數(shù)據(jù)線，接收數(shù)據(jù)的地址信息可以通過內(nèi)部的狀態(tài)寄存器讀取。
1.6 寄存器和控制邏輯
寄存器部分實(shí)現(xiàn)UART內(nèi)部所有數(shù)據(jù)的收發(fā)、控制和狀態(tài)寄存，用于設(shè)置UART的數(shù)據(jù)格式、收發(fā)波特率、FIFO控制、本地地址、地址識(shí)別、中斷控制和狀態(tài)寄存，實(shí)現(xiàn)對(duì)UART工作的控制。
控制邏輯產(chǎn)生所需的所有波特率信號(hào)及對(duì)應(yīng)的上升和下降沿指示信號(hào)，并根據(jù)實(shí)際工作所選擇的波特率輸出與系統(tǒng)時(shí)鐘同步的對(duì)應(yīng)信號(hào)。波特率產(chǎn)生邏輯的組成框圖如圖6所示。
2 功能和時(shí)序仿真
首先結(jié)合功能仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)如圖7所示。系統(tǒng)仿真平臺(tái)和仿真激勵(lì)采用VerilogHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)，可同時(shí)用于功能仿真和時(shí)序仿真，不能用于二者的綜合。寄存器級(jí)模型為用于UART IP設(shè)計(jì)的RTL描述，全部采用可以綜合的Verilog HDL語(yǔ)句編寫。仿真使用的軟件為ModelSim。
功能仿真包括以下幾個(gè)方面：
(1)基本模塊連線時(shí)序的仿真。首先用描述方式設(shè)計(jì)UART的接口模型，利用仿真激勵(lì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的讀寫操作，設(shè)計(jì)出仿真激勵(lì)信號(hào)和系統(tǒng)仿真平臺(tái)。然后結(jié)合仿真激勵(lì)信號(hào)逐步完成UART的各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)。仿真時(shí)，需要逐步觀察UART接口信號(hào)的波形、UART內(nèi)部模塊的接口信號(hào)波形、各種狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)遷移和數(shù)據(jù)指針的值以及狀態(tài)位的值，逐步完成寄存器傳輸級(jí)的UART設(shè)計(jì)。
(2)UART的工作仿真。完成RTL的寄存器傳輸級(jí)模型后，根據(jù)系統(tǒng)軟件工作的模式，用HDL設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)收發(fā)的仿真激勵(lì)，打開自環(huán)功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。仿真可以分為仿真查詢和中斷兩種工作方式。對(duì)于中斷工作方式，需要用HDL語(yǔ)言模擬軟件的中斷機(jī)制，
進(jìn)行中斷工作方式的仿真。最后打開地址識(shí)別功能，發(fā)送不同目的地址的數(shù)據(jù)，觀察UART的硬件地址識(shí)別情況。
完成功能仿真后，將設(shè)計(jì)進(jìn)行布局布線，生成Ver-ilog HDL形式的時(shí)序仿真模型和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延文件，利用與功能仿真相同的仿真平臺(tái)進(jìn)行時(shí)序仿真。時(shí)序仿真只需要仿真工作方式。功能仿真和時(shí)序仿真使用相同的仿真平臺(tái)和激勵(lì)向量，這樣便于比較二者的差異，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)代碼存在的問題。
3 綜合和測(cè)試結(jié)果
本設(shè)計(jì)用Synplicity公司的Synplify Pro作為綜合工具，用Xilinx ISE5.2作為布局布線工具，采用器件為XC2S100IIE-7。綜合結(jié)果顯示，該UART IP占用資源情況為:SLICE275個(gè)、內(nèi)部塊RAM 1個(gè)、I/O 24個(gè)，HOST總線可以達(dá)到的頻率為73.2MHz。
測(cè)試程序參考仿真激勵(lì)的生成，用C語(yǔ)言在vxWorks操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)。測(cè)試所用方法和工作仿真完全相同，只是仿真激勵(lì)對(duì)應(yīng)測(cè)試程序，而RTL模型對(duì)應(yīng)實(shí)際的FP-GA器件。
多點(diǎn)測(cè)試使用了五塊單板，采用半雙工總線方式，定義簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)包格式，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并返回?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包的格式為地址開頭，后面是最大255Byte的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)部分包括發(fā)送方的地址、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和及包的長(zhǎng)度。另外，還定義簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序格式，完成基本數(shù)據(jù)的收發(fā)和控制，然后在上層加載多點(diǎn)通信協(xié)議。其中的一塊加載主設(shè)備程序，其它單板加載從設(shè)備程序。主設(shè)備周期性地向其它從設(shè)備發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)等待接收目標(biāo)單板的數(shù)據(jù)。從設(shè)備軟件只接收發(fā)給本單板的數(shù)據(jù)，如果校驗(yàn)正確，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)給主設(shè)備；如果有錯(cuò)誤，則不進(jìn)行任何操作。主設(shè)備若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)法接收從設(shè)備的數(shù)據(jù)或者接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則判斷通信異常，進(jìn)行下一個(gè)設(shè)備的測(cè)試。
測(cè)試時(shí)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)為240Byte，波特率為115200。常溫和高低溫環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果表明，UART IP工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
本UART IP全部采用Verilog HDL設(shè)計(jì)，可以在采用FPGA實(shí)現(xiàn)的通訊和控制系統(tǒng)中作為系統(tǒng)多點(diǎn)通訊控制器，也可以用于片上系統(tǒng)(SoC)的設(shè)計(jì)。用于多點(diǎn)通信時(shí)，可以有效降低CPU的額外負(fù)擔(dān)，提高CPU系統(tǒng)的利用率。由于采用語(yǔ)言描述，移植性強(qiáng)，可以用于不同廠家、不同型號(hào)的FPGA芯片中，提高了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速度和效率。
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