基于ＵＡＲＴ?。桑鸷藢?shí)現(xiàn)嵌入式微處理器擴(kuò)展多串口電路的設(shè)計(jì)

方　明　林建中

[摘要]給出利用FPGA上實(shí)現(xiàn)的UART IP核，實(shí)現(xiàn)在微處理器S3C2440A總線上動(dòng)態(tài)擴(kuò)展多串口電路，論述基于發(fā)送和接收FIFO下的UART接口模塊設(shè)計(jì)以及各主要功能模塊實(shí)現(xiàn)。另外，給出節(jié)省中斷資源的用于實(shí)現(xiàn)串口動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的電路。最后，給出WINCE5.0下多串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)框架。

[關(guān)鍵詞]UART S3C2440A WINCE 5.0

中圖分類號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16717597（2009）0310015－03

一、引言

由于基于FPGA/CPLD實(shí)現(xiàn)的電路在靈活性，體積，成本方面都有其優(yōu)勢(shì)。本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，為了滿足高速數(shù)據(jù)傳輸要求，利用FPGA實(shí)現(xiàn)了分別擁有512字節(jié)的發(fā)送和接收FIFO的UART接口模塊，并采用接口電路動(dòng)態(tài)擴(kuò)展UART，以實(shí)現(xiàn)微處理器S3C2440A上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展多串口的目的，在最少改動(dòng)電路下滿足要求高速傳輸?shù)亩啻趫?chǎng)合。同時(shí)，本文還給出了在嵌入式操作系統(tǒng)WINCE5.0下的多串口驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過程。

二、硬件電路總體設(shè)計(jì)

硬件電路實(shí)現(xiàn)如圖（1）所示，主要有微處理器S3C2440A，兩片緩沖器74LVTH162245分別用于地址總線/片選和數(shù)據(jù)總線的緩沖，以及一塊FPGA模塊組成。微處理器是三星32bit ARM920T內(nèi)核的S3C2440A，其主頻在400MHZ，最高可達(dá)533MHZ，可擴(kuò)展外部存器，具有豐富的I2C，SPI，CAN，以太網(wǎng)，USB等控制接口，還可通過總線擴(kuò)展其他接口電路，應(yīng)用層面非常廣泛。而FPGA模塊的功能是使用VHDL實(shí)現(xiàn)了UART IP核以及多串口擴(kuò)展控制電路，該控制電路通過產(chǎn)生多個(gè)串口的片選以及通過微處理器的1個(gè)GPIO口作為中斷使能信號(hào)來高效管理多個(gè)串口中斷共用一個(gè)中斷的有效方法來實(shí)現(xiàn)多串口的擴(kuò)展，通過這不僅節(jié)約了中斷資源，同時(shí)，也保證了多個(gè)串口中斷的無漏檢測(cè)和服務(wù)。另外，通過電平轉(zhuǎn)換芯片，如MAX232，MAX485，MAX491它們可以分別實(shí)現(xiàn)RS232，RS485以及RS422接口串口。

（一）微處理器S3C2440A資源分配

S3C2440A中的內(nèi)存控制器提供了要求外部?jī)?nèi)存訪問的內(nèi)存控制信號(hào)，總共有8個(gè)塊，地址從0x0000_000～0x4000_0000，每個(gè)塊的大小為128MB，6個(gè)塊可以用于擴(kuò)展ROM，SRAM，其他兩個(gè)用于ROM，SDRAM。每個(gè)塊都有一個(gè)片選信號(hào)nGs0～nGs7，當(dāng)某塊的片選信號(hào)有效時(shí)，就可以通過讀寫信號(hào)訪問該塊數(shù)據(jù)。在擴(kuò)展多串口的電路，我們采用了第6塊內(nèi)存塊，地址從0x2800_0000～0x3000_0000，片選信號(hào)為nGs5，來作為訪問多串口數(shù)據(jù)的區(qū)域。

（二）UART IP核的設(shè)計(jì)

采用硬件描述語言VHDL，在ALTERA公司的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）上實(shí)現(xiàn)了擁有512字節(jié)接收和發(fā)送FIFO的軟件上兼容16550的UART核。在UART IP核中主要由讀寫控制模塊，寄存器和發(fā)送/接收FIFO模塊，接收模塊，發(fā)送模塊，波特率發(fā)生器以及中斷控制產(chǎn)生模塊組成。圖（2）顯示了UART的數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的格式，從CPU端和設(shè)備端看，UART接收部分實(shí)現(xiàn)在設(shè)定波特率下將設(shè)備端的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)給CPU，而發(fā)送部分實(shí)現(xiàn)將CPU端的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)再以設(shè)定的波特率發(fā)送給設(shè)備。其中，在設(shè)備端的數(shù)據(jù)幀格式中，起始位為兩個(gè)比特寬度，用于在UART接收時(shí)的辨別一幀數(shù)據(jù)開始的判斷；通過對(duì)UART內(nèi)部寄存器的配置，可以將配置數(shù)據(jù)位數(shù)5～8位，是否有校驗(yàn)位和校驗(yàn)類型，以及停止位的位數(shù)為1或1.5或2。

1．UART實(shí)現(xiàn)的各功能描述

（1）讀寫控制模塊主要負(fù)責(zé)處理與系統(tǒng)處理器那邊的通信，所有內(nèi)部寄存器的讀和寫通過這個(gè)模塊完成。

（2）UART寄存器模塊處理所有內(nèi)部寄存器，其他模塊的寄存器信息在這個(gè)模塊中被匯集并且對(duì)所有塊都可得到。

（3）接收模塊接收串行數(shù)據(jù)，通過預(yù)先設(shè)置可以識(shí)別數(shù)據(jù)寬度諸如5，6，7，8比特，不同的校驗(yàn)設(shè)置比如寄校驗(yàn)，偶校驗(yàn)或無校驗(yàn)，以及不同的停止位諸如1，1.5，2比特。該模塊還對(duì)接收數(shù)據(jù)流進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)諸如溢出錯(cuò)誤，幀錯(cuò)誤，校驗(yàn)錯(cuò)誤以及超時(shí)錯(cuò)誤。如果接收數(shù)據(jù)沒有錯(cuò)誤，將其數(shù)據(jù)放入接收FIFO中。

（4）中斷控制模塊依賴發(fā)送FIFO的狀態(tài)和它的發(fā)送的和接收的數(shù)據(jù)的狀態(tài)來發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)給處理器。

（5）波特率發(fā)生器將輸入的時(shí)鐘信號(hào)除以一個(gè)可編程的數(shù)值，再將其接口除以16就得到了發(fā)送和接收用的波特率。

（6）發(fā)送模塊處理將發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入到發(fā)送FIFO中，并且按照UART的數(shù)據(jù)格式再數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候加上開始位，校驗(yàn)位以及停止位，這樣保證接收設(shè)備可以做適當(dāng)錯(cuò)誤處理和接收。

2．發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)

由于微處理器在較高時(shí)鐘頻率上發(fā)送數(shù)據(jù)給UART，為了保證UART在發(fā)送保持寄存器（THR）中的數(shù)據(jù)不被后一幀數(shù)據(jù)給覆蓋，在UART中設(shè)計(jì)了容量為512字節(jié)的發(fā)送FIFO，基于FIFO設(shè)計(jì)的發(fā)送數(shù)據(jù)有限狀態(tài)機(jī)如圖（3）所示，一開始，發(fā)送FIFO處于空的狀態(tài)，通過使能FIFO寫入信號(hào)將數(shù)據(jù)先放入FIFO（只要FIFO處于非全滿狀態(tài)將一直可以接收來自CPU的數(shù)據(jù)）。然后，通過地址、片選和寫控制信號(hào)讀取發(fā)送保持寄存器的狀態(tài)，當(dāng)判斷其為空時(shí)，在第一時(shí)鐘周期先使能FIFO讀取信號(hào)，將FIFO中的一個(gè)數(shù)據(jù)先放在總線上，然后在后面的時(shí)鐘周期里產(chǎn)生UART的寫控制信號(hào)，將放在總線上的數(shù)據(jù)寫入到UART的發(fā)送保持寄存器，再通過移位寄存器將數(shù)據(jù)按波特率發(fā)送到設(shè)備接收端。這樣做即可保證發(fā)送數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)的發(fā)送速度。

3．接收模塊實(shí)現(xiàn)

當(dāng)處理器由于某種原因，導(dǎo)致在接收來自外部串行設(shè)備的數(shù)據(jù)不被后面的數(shù)據(jù)給覆蓋，在設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)512字節(jié)的接收FIFO來緩沖接收數(shù)據(jù)。圖（4）顯示了基于接收FIFO的接收模塊的狀態(tài)機(jī)，當(dāng)UART檢測(cè)到起始數(shù)據(jù)位并將接收到的一幀完整數(shù)據(jù)去除開始位，校驗(yàn)位和停止位后放入接收緩沖寄存器（RBR），然后，發(fā)出接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)（TXRDY置位），接著在第一時(shí)鐘周期產(chǎn)生訪問UART的讀信號(hào)（RDn）將其RBR中的數(shù)據(jù)讀到接收FIFO輸入數(shù)據(jù)線上，在隨后時(shí)鐘周期里再使能接收FIFO寫入信號(hào)，將FIFO輸入數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)存到FIFO中。當(dāng)接收FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到FIFO觸發(fā)等級(jí)（在FIFO控制器中預(yù)先設(shè)置了觸發(fā)中斷數(shù)，通常是1，4，8，14個(gè)字節(jié)）時(shí)發(fā)送中斷信號(hào)給處理器請(qǐng)求接收數(shù)據(jù)，這時(shí)當(dāng)接收到處理器的讀信號(hào)有效時(shí)，就產(chǎn)生接收FIFO的讀取使能信號(hào)，將FIFO中的數(shù)據(jù)按照先入先出的方式放到外部數(shù)據(jù)總線上以讓處理器讀取。

（三）多串口擴(kuò)展控制電路

該電路主要負(fù)責(zé)對(duì)擴(kuò)展的UART進(jìn)行片選控制，以及通過微處理器的1個(gè)GPIO口作為中斷使能信號(hào)來高效管理多個(gè)串口中斷共用一個(gè)中斷。為了選種擴(kuò)展的UART，通過處理器的地址訪問片選信號(hào)nGs5以及地址線addr[15..3]來譯碼器產(chǎn)生UART的片選信號(hào)。對(duì)擴(kuò)展四個(gè)UART來說，其地址依次為0x001x，0x002x，0x003x，0x004x。另外中斷使能信號(hào)（inten）的地址為0x0100。各UART中斷采用或運(yùn)算合并產(chǎn)生一個(gè)中斷，當(dāng)中斷使能信號(hào)有效時(shí)，發(fā)送中斷給處理器。在硬件驅(qū)動(dòng)層處理器響應(yīng)中斷并進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)過程中，處理器按順序逐個(gè)檢查多個(gè)擴(kuò)展口的串口中斷源，有中斷請(qǐng)求的就給予服務(wù)，并置中斷使能信號(hào)（inten）無效。當(dāng)剛剛檢測(cè)過的中斷又出現(xiàn)時(shí)，一方面靠擴(kuò)展控制電路中的移位寄存器將INTR鎖存，另一方面，擴(kuò)展控制電路中的8位狀態(tài)機(jī)保證了一定的延時(shí)，使得上一中斷服務(wù)順利完成，完成后再將中斷使能信號(hào)（inten）變?yōu)橛行б越邮蘸罄m(xù)的中斷。在延時(shí)中，中斷控制程序把堆棧中的內(nèi)容返回給處理器的寄存器，恢復(fù)能獲得的響應(yīng)。這樣，即使在多個(gè)串口中斷密集發(fā)生的環(huán)境下，擴(kuò)展的多個(gè)串口仍可獲得實(shí)時(shí)性和可靠性較高的中斷。具體VHDL實(shí)現(xiàn)代碼如下：

con_pro : process(nreset,clk)

begin

if ngcs5='0' and a(15 downto 3)="0000000000010" then cs(0)＜='1'; else cs(0)＜='0';

end if;--片選UART1

if ngcs5='0' and a(15 downto 3)="0000000000100" then cs(1)＜='1'; else cs(1)＜='0';

end if;-- 片選UART2

if ngcs5='0' and a(15 downto 3)="0000000000110" then cs(2)＜='1'; else cs(2)＜='0';

end if;-- 片選UART3

if ngcs5='0' and a(15 downto 3)="0000000001000" then cs(3)＜='1'; else cs(3)＜='0';

end if;-- 片選UART4

add＜=a(2 downto 0);--訪問UART內(nèi)部寄存器地址

reset＜=not(nreset);--復(fù)位UART信號(hào)

if ngcs5='0' and a="0000000100000000" then

lck_sel＜='1';

else lck_sel＜='0'; end if;--中斷使能信號(hào)

if nreset='0' then LCK＜='0';

elsif rising_edge(nwe) then if lck_sel='1' then dffin＜=data(0);-- 數(shù)據(jù)輸入到中斷鎖存寄存器 LCK＜='1';-- 中斷鎖存寄存器時(shí)鐘信號(hào)

elseLCK＜='0'; end if; end if;

if rising_edge(clk) then

if(inten='1') then

intr＜= not(inta or intb or intc or intd );--中斷（inta,intb,intc,intd 分別為四個(gè)UART的中斷信號(hào)）

elseinter＜='1'; end if; end if;

end process con_pro;

// 中斷有限狀態(tài)機(jī)

Interput_Proc: process(nreset,clk10k)

begin

if (nreset='0') then State ＜= s0;

elsif rising_edge(clk10k) then

case State is

when s0 =＞

if (inten='1') and (intr='0') then

State ＜= s1;--產(chǎn)生中斷

else State ＜= s0; end if;

when s1 =＞

if (inten='0') then

State ＜= s2; --中斷使能無效

else State ＜= s1; end if;

when s2 =＞

if (inten='1') then--中斷服務(wù)完成，置中斷使能有效

State ＜= s3;

else State ＜= s2; end if;

// 延時(shí)50US保證中斷服務(wù)程序完全退出

when s3 =＞ State ＜= s4;--10us

when s4 =＞ State ＜= s5;--10us

when s5 =＞ State ＜= s5;--10us

when s6 =＞ State ＜= s7;--10us

when s7 =＞ State ＜= s0;--10us

when others =＞ State ＜= s0;

end case; end if;

end processInterput_Proc;

end beha;

三、WINCE5.0下實(shí)現(xiàn)多串口驅(qū)動(dòng)

在WINCE 5.0下開發(fā)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)有兩種模式：本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和流接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)。而本系統(tǒng)的多串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用流接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式，它以動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）即文件系統(tǒng)的一個(gè)特殊文件形式來實(shí)現(xiàn)把外設(shè)使用傳遞給應(yīng)用程序。圖（5）顯示了其設(shè)備驅(qū)動(dòng)如何下WINCE5.0操作系統(tǒng)中集成的，其中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分為兩層，上層是模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序（MDD），該層驅(qū)動(dòng)對(duì)平臺(tái)和函數(shù)來講是通用的，即是源代碼也是庫，負(fù)責(zé)鏈接PDD層并定義它希望調(diào)用的函數(shù)以及把不同的函數(shù)集提供給設(shè)備管理器來統(tǒng)一加載、管理和卸載，這些函數(shù)集叫流接口函數(shù)；而下層是依賴平臺(tái)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（PDD），它是直接訪問硬件的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供器接口（DDIS）接口提供給MDD層調(diào)用。

每一個(gè)流接口驅(qū)動(dòng)程序必須實(shí)現(xiàn)一組標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)，用來完成標(biāo)準(zhǔn)的文件I/O函數(shù)和電源管理函數(shù)，這些函數(shù)提供給WINCE操作系統(tǒng)內(nèi)核使用，由于篇幅的限制這里只列出多串口流接口驅(qū)動(dòng)程序要實(shí)現(xiàn)的DLL接口：COM_Close它是在串口驅(qū)動(dòng)關(guān)閉是應(yīng)用程序通過CloseHandle( )函數(shù)調(diào)用這個(gè)函數(shù)；COM_Init它完成串口的初始化；COM_Open在打開一個(gè)串口驅(qū)動(dòng)程序時(shí)應(yīng)用程序可以通過CreatFile( )函數(shù)調(diào)用這個(gè)函數(shù)；COM_Deinit該函數(shù)完成串口驅(qū)動(dòng)程序的卸載；COM_IOControl該函數(shù)用于向串口設(shè)備發(fā)送命令，應(yīng)用層可以通過DeviceIOControl函數(shù)來通知操作系統(tǒng)調(diào)用這個(gè)函數(shù)；COM_Read（）在串口處于打開狀態(tài)時(shí)應(yīng)用程序通過ReadFile( )函數(shù)調(diào)用這個(gè)函數(shù)來讀取串口數(shù)據(jù)；COM_Write（）在串口處于打開狀態(tài)時(shí)應(yīng)用程序通過WriteFile( )函數(shù)調(diào)用這個(gè)函數(shù)來向串口寫入數(shù)據(jù)；COM_PowerDown由COM_Init創(chuàng)建時(shí)生產(chǎn)的句柄，系統(tǒng)掛起前調(diào)用這個(gè)函數(shù)；COM_PowerUp由COM_Init創(chuàng)建時(shí)生產(chǎn)的句柄，系統(tǒng)重新啟動(dòng)前調(diào)用這個(gè)函數(shù)。

四、總結(jié)

在FPGA上實(shí)現(xiàn)UART IP核，占用700個(gè)宏單元，共1萬5千門系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過接口模塊化設(shè)計(jì)的UART核來實(shí)現(xiàn)嵌入式微處理器動(dòng)態(tài)擴(kuò)展多串口電路的方法，有利于通過電路的最小更改來實(shí)現(xiàn)多串口的擴(kuò)展，同時(shí)也減小開發(fā)周期和成本，該設(shè)計(jì)方法也可以作為其他電路設(shè)計(jì)的參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2]董長富、郭超平、宋渝，基于FPGA的多串口模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)參考，2006,Vol.8 No.11.

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作者簡(jiǎn)介：

方明，男，碩士，主研方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，集成電路設(shè)計(jì)；林建中，男，高級(jí)工程師，主研方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，集成電路設(shè)計(jì)。