基于ＦＰＧＡ的ＵＡＲＴ模塊的設(shè)計(jì)

楊宗國　李艷萍

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與基于FPGA圖像處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，這里用FPGA設(shè)計(jì)了一款簡易通用異步收發(fā)器（UART）模塊。UART的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊與RS 232串行數(shù)據(jù)接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即將送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流，由數(shù)據(jù)處理模塊傳送給計(jì)算機(jī)，還可以將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)處理模塊使用。為了簡化電路設(shè)計(jì)，減少電路面積，這里省略了UART系統(tǒng)中的奇偶檢驗(yàn)?zāi)K。

關(guān)鍵詞：FPGA;VHDL;串/并轉(zhuǎn)換；并/串轉(zhuǎn)換;UART

中圖分類號：TN971文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004 373X(2009)02 019 04

Design of UART Module Based on FPGA

YANG Zongguo,LI Yanping

(College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024,China)

Abstract：To realize data communication between computer and FPGA－based image processing system,a simple Universal Asynchronous Receiver Transmitter(UART)is designed by FPGA.The main function of UART is to realize data conversion between data disposal module and RS 232 serial port,that is to say,parallel data trinsmitted by data disposal module is converted into serial data flow,then it is transmitted into computer,the serial data is converted into parallel data for the usage of data disposal module.For predigesting circuit design and reducing electrocircuit proportion,parity check module is not needed.

Keywords：FPGA;VHDL;S/P conversion;P/S conversion;UART

0 引 言

在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信中，外設(shè)一般不能與計(jì)算機(jī)直接相連，它們之間的信息交換主要存在以下問題：

（1） 速度不匹配。

外設(shè)的工作速度和計(jì)算機(jī)的工作速度不一樣，而且外設(shè)之間的工作速度差異也比較大。

（2） 數(shù)據(jù)格式不匹配。

不同的外設(shè)在進(jìn)行信息存儲和處理時(shí)的數(shù)據(jù)格式可能不同，例如最基本的數(shù)據(jù)格式可分為并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)。

（3） 信息類型不匹配。

不同的外設(shè)可能采用不同類型的型號，有些是模擬信號，有些是數(shù)字信號，因此采用的處理方式也不同。

為了解決外設(shè)和計(jì)算機(jī)之間的信息交換問題，即需要設(shè)計(jì)一個(gè)信息交換的中間環(huán)節(jié)接口。UART控制器是最常用的接口。

通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)是輔助計(jì)算機(jī)與串行設(shè)備之間的通信，作為RS 232通信接口的一個(gè)重要的部分，目前大部分的處理器都集成了UART。

1 UART的數(shù)據(jù)格式

UART的數(shù)據(jù)傳輸格式如圖1所示。

由于數(shù)字圖像亞像素在計(jì)算機(jī)中是用8位二進(jìn)制表示，因此UART傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)位為8位。傳輸線在空閑時(shí)為高電平，因此有效數(shù)據(jù)流的開始位設(shè)為0。接著傳輸8位有效數(shù)據(jù)位，先從最低位開始傳送。奇偶檢驗(yàn)位可以設(shè)置為奇檢驗(yàn)、偶校驗(yàn)或者不設(shè)置校驗(yàn)位，由于本系統(tǒng)使用的傳輸速率不高，為了加快開發(fā)進(jìn)程，減少電路面積，因此沒有設(shè)計(jì)奇偶檢驗(yàn)?zāi)K，數(shù)據(jù)流中不設(shè)奇偶檢驗(yàn)位。最后停止位為高電平。

2 UART的基本結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的UART主要由UART內(nèi)核、信號檢測器、移位寄存器、波特率發(fā)生器和計(jì)數(shù)器組成，如圖2所示。UART各個(gè)功能模塊的功能如下文所述。

2.1 信號檢測器模塊

信號檢測器用于對RS 232的輸入信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)則立即通知UART內(nèi)核。信號檢測器的仿真波形如圖3所示。

其中，RxD第一次為低時(shí)，new_data信號闡述輸出，之后RxD又變低，但由于信號檢測器處于鎖定狀態(tài)，所以new_data信號并沒有輸出；最后，reset_n信號將信號檢測器復(fù)位，RxD再次變低時(shí)，new_data又有輸出?？梢娦盘枡z測器的實(shí)現(xiàn)完全正確，其功能完全符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 移位寄存器模塊

移位寄存器模塊的作用是存儲輸入或者輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)UART接收RS 232輸入時(shí)，移位寄存器在波特率模式下采集RS 232輸入信號，且保存結(jié)果；當(dāng)進(jìn)行RS 232輸出時(shí)，UART內(nèi)核首先將數(shù)據(jù)加載到移位寄存器內(nèi)，再使移位寄存器在波特率模式下將數(shù)據(jù)輸出到RS 232輸出端口上。移位寄存器的仿真波形圖如圖4所示。

如圖4所示，移位寄存器在復(fù)位后的每個(gè)時(shí)鐘的上升沿工作。由于數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)是先發(fā)送有效數(shù)據(jù)的最低位，因此移位寄存器是將接收的數(shù)據(jù)由高位向低位移動，dout輸出移位寄存器的最低位。圖中的regs數(shù)據(jù)用16進(jìn)制表示。

2.3 波特率發(fā)生器模塊

波特率發(fā)生器的功能是產(chǎn)生和RS 232通信所采用的波特率同步的時(shí)鐘，這樣才能方便地按照RS 232串行通信的時(shí)序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)接收或者發(fā)送。比如，波特率為9 600 b/s，即每秒傳輸9 600 b數(shù)據(jù)，則同步的波特率時(shí)鐘頻率為9 600 Hz，周期為1/9 600=0.104 17。

設(shè)計(jì)波特率時(shí)鐘的基本思路就是設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器工作在速度很高的系統(tǒng)時(shí)鐘下，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到某數(shù)值時(shí)將輸出置高，再計(jì)數(shù)到一定的數(shù)值后再將輸出置低，如此反復(fù)便能夠得到所需的波特率時(shí)鐘。該系統(tǒng)所用的FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz，RS 232通信的波特率為9 600b/s，則波特率時(shí)鐘的每個(gè)周期相當(dāng)于50×1069 6005 208個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。假如要得到占空比為50%的波特率時(shí)鐘，只要使得計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)到1 604時(shí)將輸出置高，之后在計(jì)數(shù)到5 208時(shí)將輸出置低并且重新計(jì)數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)和9 600波特率同步的時(shí)鐘。

為了便于仿真，使計(jì)數(shù)器計(jì)到2時(shí)將輸出置高，之后計(jì)到4時(shí)將輸出置地并且重新計(jì)數(shù)。波特率發(fā)生器的仿真波形圖如圖5所示。

觀察波形可以看到波特率發(fā)生器每經(jīng)過4個(gè)時(shí)鐘周期輸出1個(gè)完整的波特率時(shí)鐘周期，占空比為1/2，并且在每次輸出波特率時(shí)鐘周期之后輸出1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘脈寬的提示信號indicator，UART通過此信號來了解波特率發(fā)生器已輸出的波特率時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)。由波形圖可見波特率發(fā)生器的工作完全滿足設(shè)計(jì)的要求。

2.4 計(jì)數(shù)器模塊

計(jì)數(shù)器模塊的功能是可控的，在輸入時(shí)鐘的驅(qū)動下進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到計(jì)數(shù)上閾時(shí)給UART內(nèi)核一個(gè)提示信號。在不同的工作狀態(tài)下，計(jì)數(shù)器模塊的輸入時(shí)鐘是不同的。UART在數(shù)據(jù)發(fā)送之前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)加載（即將串行序列保存在移位寄存器內(nèi)），在此工程中計(jì)數(shù)器模塊的輸入時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘，因?yàn)榇藭r(shí)移位寄存器也工作在系統(tǒng)時(shí)鐘下。除了數(shù)據(jù)加載，另外2個(gè)需要計(jì)數(shù)器模塊的過程是數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送。由于這兩個(gè)過程中移位寄存器工作在波特率時(shí)鐘下，所以計(jì)數(shù)器模塊的時(shí)鐘就是與波特率時(shí)鐘同步的波特率發(fā)生器提示信號indicator，這樣每輸出1個(gè)完整的波特率時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器就能增加1。

計(jì)數(shù)器的仿真波形圖如圖6所示。

計(jì)數(shù)器在復(fù)位后并且ce有效時(shí)開始計(jì)數(shù)，并且在第10個(gè)時(shí)鐘周期輸出提示信號overflow。

2.5 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器模塊

發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器模塊的功能是將要發(fā)送的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，并且在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加人起始位和停止位。緩沖器首先將要發(fā)送的8位數(shù)據(jù)寄存，并在最低位后添加起始位‘0，在最高位前添加停止位‘1，組成10位要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)UART內(nèi)核模塊的計(jì)數(shù)值將相應(yīng)的數(shù)據(jù)送入移位寄存器輸入端。UART內(nèi)核模塊輸出的計(jì)數(shù)值是從0依次計(jì)到9，即先將要發(fā)送數(shù)據(jù)的最低位送入移位寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器的仿真波形圖如圖7所示。

由波形圖可知，發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器在復(fù)位后，在輸入的計(jì)數(shù)值si_count為0時(shí)，send_si輸出起始位‘0。在輸入的計(jì)數(shù)值si_count為1~8時(shí)，send_si分別輸出send_bus上相應(yīng)的數(shù)據(jù)位。在輸入的計(jì)數(shù)值si_count為9時(shí)，send_si輸出停止位‘1。

2.6 UART內(nèi)核模塊

UART內(nèi)核模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。在數(shù)據(jù)接收時(shí)，UART內(nèi)核模塊負(fù)責(zé)控制波特率發(fā)生器和移位寄存器，使得移位寄存器在波特率時(shí)鐘的驅(qū)動下同步地接收并且保存RS 232接收端口上的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，UART內(nèi)核模塊首先根據(jù)待發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生完整的發(fā)送數(shù)據(jù)序列（包括起始位、數(shù)據(jù)位和停止位），之后控制移位寄存器將序列加載到移位寄存器的內(nèi)部寄存器里，最后再控制波特率發(fā)生器驅(qū)動移位寄存器將數(shù)據(jù)串行輸出。

UART內(nèi)核模塊的主要功能是控制數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)加載和數(shù)據(jù)發(fā)送的過程，這可以用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)圖如圖8所示。

)數(shù)據(jù)加載過程。

數(shù)據(jù)的接收過程可以定義3個(gè)狀態(tài)：空閑“idle”狀態(tài)、接收“receive”和接收完成“receive_over”。UART內(nèi)核模塊在復(fù)位后進(jìn)入空閑狀態(tài)。如果信號檢測器檢測到數(shù)據(jù)傳輸，即new_data=‘1，UART內(nèi)核檢測到此信號就會進(jìn)入接收狀態(tài)。在UART進(jìn)入由空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)過程中，需要進(jìn)行一系列的接收預(yù)備操作，包括將子模塊復(fù)位、選擇移位寄存器串行輸入數(shù)據(jù)以及選擇移位寄存器的輸入時(shí)鐘等。進(jìn)入接收狀態(tài)后，波特率發(fā)生器開始工作，其輸出波特率時(shí)鐘驅(qū)動移位寄存器同步的存儲RS 232接收端口上的數(shù)據(jù)，并且其提示信號“indicator”驅(qū)動計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)所有數(shù)據(jù)接收完成，計(jì)數(shù)器也達(dá)到了其計(jì)數(shù)的上閾，此時(shí)overflow=‘1，通知UART內(nèi)核進(jìn)入接收狀態(tài)。UART內(nèi)核進(jìn)入接收完成狀態(tài)的同時(shí)，會檢查奇偶校驗(yàn)的結(jié)果，同時(shí)使得子模塊使能信號無效，以停止各個(gè)子模塊。

UART內(nèi)核的接收完成狀態(tài)僅保持1個(gè)時(shí)鐘周期，設(shè)置這個(gè)狀態(tài)的作用是借用一個(gè)時(shí)鐘周期復(fù)位信號檢測器，準(zhǔn)備接收下次數(shù)據(jù)傳輸。

（2） 數(shù)據(jù)加載和發(fā)送過程。

數(shù)據(jù)加載和發(fā)送的過程都是為發(fā)送數(shù)據(jù)而設(shè)定的，所以將它們放在一起進(jìn)行介紹，可以用4個(gè)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)上述的過程，即空閑、加載、發(fā)送和發(fā)送完成。其中的空閑狀態(tài)是UART內(nèi)核復(fù)位后的空閑狀態(tài)，與上面介紹的數(shù)據(jù)接收過程的空閑狀態(tài)一致。數(shù)據(jù)加載過程在數(shù)據(jù)發(fā)送過程之前進(jìn)行。UART內(nèi)核復(fù)位后進(jìn)入空閑狀態(tài)，當(dāng)探測到發(fā)送控制信號有效時(shí)，即send=‘1，便會進(jìn)入加載狀態(tài)開始數(shù)據(jù)加載。在進(jìn)入加載狀態(tài)的同時(shí)，UART內(nèi)核會將移位寄存器、計(jì)數(shù)器復(fù)位，并且通過選擇信號使得移位寄存器的輸入為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器模塊產(chǎn)生的串行數(shù)據(jù)序列，使得移位寄存器和計(jì)數(shù)器的工作時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘。進(jìn)入加載狀態(tài)后，在UART內(nèi)核控制下，發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器模塊會將完整的待發(fā)送序列加載到移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，發(fā)送的序列是和系統(tǒng)時(shí)鐘同步的，移位寄存器在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動下不斷讀入輸入端數(shù)據(jù)并保存在內(nèi)部寄存器內(nèi)。在移位寄存器加載數(shù)據(jù)的同時(shí)，計(jì)數(shù)器也在時(shí)鐘的驅(qū)動下進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于都是工作在系統(tǒng)時(shí)鐘下，所以當(dāng)所有數(shù)據(jù)被加載時(shí)，計(jì)數(shù)器也達(dá)到了計(jì)數(shù)的上閾（即串行數(shù)據(jù)的總量），此時(shí)overflow=‘1，通知UART內(nèi)核進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。UART內(nèi)核進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)的同時(shí)會改變幾個(gè)選擇信號，比如將移位寄存器的時(shí)鐘設(shè)為波特率時(shí)鐘，將計(jì)數(shù)器時(shí)鐘設(shè)為波特率的提示信號，最重要的是將輸出信號送到RS 232的發(fā)送端口TxD上。發(fā)送的過程和接收類似，移位寄存器在波特率時(shí)鐘的驅(qū)動下內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)串行的發(fā)送出去，同時(shí)計(jì)數(shù)器在波特率發(fā)生器的提示信號驅(qū)動下進(jìn)行計(jì)數(shù)。UART內(nèi)核在計(jì)數(shù)器到達(dá)計(jì)數(shù)上閾后便進(jìn)入發(fā)送完成模式，并且輸出發(fā)送完成信號。

3 UART頂層模塊的仿真測試

將上述各個(gè)模塊的VHDL代碼生成原理圖符號，并在原理圖編輯工具中將各個(gè)模塊連接起組成1個(gè)完整的UART模塊。為了驗(yàn)證UART模塊的正確性，對UART的發(fā)送過程和接收過程分別進(jìn)行了波形仿真。為便于觀察波形，波特率產(chǎn)生器設(shè)置為4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)完整的波特率時(shí)鐘。圖9是UART模塊接收過程的仿真波形圖。

由仿真波形圖可以看出，接收端RxD上的數(shù)據(jù)序列為0101010101，起始位‘0后為數(shù)據(jù)位“10101010”，最后一位為停止位‘1。在10個(gè)波特率時(shí)鐘之后，UART發(fā)出1個(gè)接收完成信號recv=‘1，并在數(shù)據(jù)輸出端“new_data”將接收的數(shù)據(jù)輸出給后續(xù)數(shù)據(jù)處理模塊。由于發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先發(fā)送數(shù)據(jù)的最低位，因此接收的數(shù)據(jù)應(yīng)為“01010101”，將光條放置數(shù)據(jù)輸出端“new_data”的數(shù)據(jù)輸出波形上，可以從數(shù)據(jù)欄看到此時(shí)數(shù)據(jù)輸出端new_data=“01010101”，UART數(shù)據(jù)接收功能完全正確。

圖10為UART發(fā)送過程仿真波形。由圖可以看出，send=‘1后待發(fā)送數(shù)據(jù)為“01010101”，將待發(fā)送數(shù)據(jù)加上起始位和停止位，并從最低位開始發(fā)送，則發(fā)送端txd上的數(shù)據(jù)序列為“0101010101”，發(fā)送停止位后，發(fā)送結(jié)束信號send_over=‘1。圖10證明UART數(shù)據(jù)發(fā)送功能完全正確。

4 結(jié) 語

介紹了UART在可編程邏輯器件FPGA上的實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)際電路驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的功能，使用FPGA不僅可以方便地用串口協(xié)議與PC機(jī)進(jìn)行串行通信，而且擴(kuò)展了板級系統(tǒng)的接口功能。應(yīng)用在可編程器件FPGA內(nèi)部，可以很大程度地減少電路板的使用面積，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可編程性。

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作者簡介 楊宗國 男，1981年出生，太原理工大學(xué)碩士研究生。研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理。

李艷萍 女，1963年出生,副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)橐苿油ㄐ畔到y(tǒng)的信道估計(jì)與信號檢測。