基于FPGA/CPLD设计与实现UART

冬1988

摘 要：UART是广泛使用的串行数据通讯电路。本设计包含UART发送器、接收器和波特率发生器。设计应用EDA技术，基于FPGA/cpld器件设计与实现UART。 ) d- }# u+ F. u1 T关键词：FPGA/CPLD；UART；VHDL

---UART（即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用异步收发器）是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。 ! e! Z8 x0 N; j3 U---串行外设用到RS232-C异步串行接口，一般采用专用的集成电路即UART实现。如8250、8251、NS16450等芯片都是常见的UART器件，这类芯片已经相当复杂，有的含有许多辅助的模块（如FIFO），有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。或者设计上用到了FPGA/CPLD器件，那么我们就可以将所需要的UART功能集成到FPGA内部。使用VHDL将UART的核心功能集成，从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。本文应用EDA技术，基于FPGA/CPLD器件设计与实现UART。 一 UART简介 1 UART结构 ---UART主要有由数据总线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送部分和接收部分等组成。 & l0 o0 [$ b5 m6 z& B---功能包括微处理器接口，发送缓冲器（tbr）、发送移位寄存器（tsr）、帧产生、奇偶校验、并转串、数据接收缓冲器（rbr）、接收移位寄存器（rsr）、帧产生、奇偶校验、串转并。 ---图1是UART的典型应用。 ' G4 C$ w% E  r0 p1 r: s! o2 t2 UART的帧格式 . D% u% R# n# G& V---UART的帧格式如图2所示。 ---包括线路空闲状态（idle，高电平）、起始位(start bit，低电平)、5～8位数据位(data bits)、校验位(parity bit，可选)和停止位(stop bit，位数可为1、1.5、2位)。 $ A5 v( r; c# s, k---这种格式是由起始位和停止位来实现字符的同步。 , |  v# ]) M2 p---UART内部一般有配置寄存器，可以配置数据位数（5～8位）、是否有校验位和校验的类型、停止位的位数（1，1.5，2）等设置。 # r$ h3 X  X& I5 z- K6 z 二 UART的设计与实现 1 UART发送器 9 m" X/ Y! }* k) x- }* U: c& K9 x& _---发送器每隔16个CLK16时钟周期输出1位，次序遵循1位起始位、8位数据位（假定数据位为8位）、1位校验位（可选）、1位停止位。 # m7 x3 z5 E: b5 ~+ ?% Q---CPU何时可以往发送缓冲器tbr写入数据，也就是说CPU要写数据到tbr时必须判断当前是否可写，如果不判这个条件，发送的数据会出错。 ---数据的发送是由微处理器控制，微处理器给出wen信号，发送器根据此信号将并行数据din[7..0]锁存进发送缓冲器tbr[7..0]，并通过发送移位寄存器tsr[7..0]发送串行数据至串行数据输出端dout。在数据发送过程中用输出信号tre作为标志信号，当一帧数据发送完毕时，tre信号为1，通知CPU在下个时钟装入新数据。 ---发送器端口信号如图3所示。 ---引入发送字符长度和发送次序计数器length_no，实现的部分VHDL程序如下。 ---if std_logic_vector(length_no) = “0001” then ; y9 U/ b, {8 y---tsr <= tbr ; --发送缓冲器tbr数据进入发送移位寄存器tsr ---tre <= '0' ; --发送移位寄存器空标志置“0” ---elsif std_logic_vector(length_no) = “0010” then ---dout <= '0' ; --发送起始位信号“0” ---elsif std_logic_vector(length_no) >= “0011” and std_logic_vector(length_no) <= “1010” then ---tsr <= '0' & tsr(7 downto 1); --从低位到高位进行移位输出至串行输出端dout + y6 f3 o& [% U& B; x) F2 ^; W---dout <= tsr(0) ; ---parity <= parity xor tsr(0) ; --奇偶校验 ---elsif std_logic_vector(length_no) = “1011” then ---dout <= parity ; 校验位输出 5 h- J; t; ]7 t' }, p+ y! m# ^---elsif std_logic_vector(length_no) = “1100” then ---dout <= '1' ; --停止位输出 8 G$ g- o2 \- G4 O' s' j5 c" c" O---tre <= '1' ; --发送完毕标志置“1” ---end if ; 7 O( y, W0 L) c; n! [! M---发送器仿真波形如图4所示。 2 UART接收器 ( D; G0 W: D8 a; q7 f: w. o. A---串行数据帧和接收时钟是异步的，发送来的数据由逻辑1变为逻辑0可以视为一个数据帧的开始。接收器先要捕捉起始位，确定rxd输入由1到0，逻辑0要8个CLK16时钟周期，才是正常的起始位，然后在每隔16个CLK16时钟周期采样接收数据，移位输入接收移位寄存器rsr，最后输出数据dout。还要输出一个数据接收标志信号标志数据接收完。 % W3 L1 j6 n1 R* J5 f% H+ e---接收器的端口信号如图5所示。 & \) T% B' p, j, C( I& p5 h# ~ ---实现的部分VHDL程序如下。 ---elsif clk1x'event and clk1x = '1' then   U! o) E) h- g. m---if std_logic_vector(length_no) >= “0001” and std_logic_vector(length_no) <= “1001” then -----数据帧数据由接收串行数据端移位入接收移位寄存器 ( t" y8 L/ {# m  ^. N! r6 R---rsr(0) <= rxda ; / E* r5 w; V0 }; k! \; P---rsr(7 downto 1) <= rsr(6 downto 0) ; 5 a; q$ U$ e: a! {5 j2 W; B---parity <= parity xor rsr(7) ; : f( d4 u7 Y) L  ?! e---elsif std_logic_vector(length_no) = “1010” then ---rbr <= rsr ; --接收移位寄存器数据进入接收缓冲器 ---...... ---end if ; $ E) G4 u9 ^+ a+ I---接收器仿真波形如图6所示。 ! o7 P9 _8 |1 G. x5 C" m# E4 G3 波特率发生器 + y3 {- D& ^# _---UART的接收和发送是按照相同的波特率进行收发的。波特率发生器产生的时钟频率不是波特率时钟频率，而是波特率时钟频率的16倍，目的是为在接收时进行精确地采样，以提出异步的串行数据。 ( i- H& W3 K/ {: o---根据给定的晶振时钟和要求的波特率算出波特率分频数。 + O7 ?  S% e2 X5 N---波特率发生器仿真波形如图7所示。 三 小结 ---通过波特率发生器、发送器和接收器模块的设计与仿真，能较容易地实现通用异步收发器总模块，对于收发的数据帧和发生的波特率时钟频率能较灵活地改变，而且硬件实现不需要很多资源，尤其能较灵活地嵌入到FPGA/CPLD的开发中。在EDA技术平台上进行设计、仿真与实现具有较好的优越性。

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IC老和尚

使用VHDL将UART的核心功能集成，从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。