基于FPGA的串行接口芯片的設(shè)計與應(yīng)用

王 敏，秦實宏，陳 騰，姚湘陵

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205）

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，串行通訊的應(yīng)用非常廣泛，為實現(xiàn)串行通信功能一般使用專用串行接口芯片，但是這種接口芯片存在體積較大、接口復(fù)雜以及成本較高的缺點，使得硬件設(shè)計更加復(fù)雜，并且結(jié)構(gòu)與功能相對固定，無法根據(jù)設(shè)計的需要對其邏輯控制進行靈活的修改[1]。在傳統(tǒng)的微機接口實驗箱上作進一步開發(fā)。為進一步提高實驗效果和學(xué)生動手能力，實驗中增加芯片設(shè)計部分，為硬件描述語言的理論教學(xué)提供實驗機會。同時接口芯片不再采用傳統(tǒng)的通用芯片，而用FPGA實現(xiàn)，提供源代碼，在實驗中直接對FPGA進行編程。利用FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接口實驗芯片，使得系統(tǒng)內(nèi)硬件的功能可以像軟件一樣被編程。這種設(shè)計方法運用到實際的硬件實驗環(huán)境中，增強與拓寬了實驗系統(tǒng)的功能，使實驗系統(tǒng)具有極強的靈活性和適應(yīng)性。

1 總體設(shè)計方案

利用FPGA進行串行接口芯片的設(shè)計，其設(shè)計平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中，軟件平臺采用多功能微型計算機實驗軟件 MFS（Multi Function Soft，簡稱 MF），MF 將實驗程序開發(fā)工具（匯編語言、C/C++語言程序開發(fā)包），故障診斷程序和外設(shè)模塊實驗演示程序集成在一個環(huán)境中，構(gòu)成一個用戶應(yīng)用程序集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。芯片設(shè)計完成后，將其源程序下載到FPGA中，通過USB與PC機連接，在IDE軟件平臺中編寫上位機程序來完成芯片設(shè)計的驗證工作，被控設(shè)備為微機接口實驗箱。

圖1 平臺結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of platform

2 芯片設(shè)計

可編程串行接口芯片8251A是用來作為CPU與外設(shè)或調(diào)制解調(diào)器之間的接口芯片，適合作異步起止式數(shù)據(jù)格式和同步面向字符數(shù)據(jù)格式的接口芯片，其功能很強[2]。8251A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。從功能上將其分為5個部分：數(shù)據(jù)總線緩沖、讀/寫控制邏輯、發(fā)送模塊、接收模塊、調(diào)制控制模塊。

根據(jù)8251A的外部特性和內(nèi)部邏輯，采用層次和模塊化的方法，將頂層設(shè)計中分為4個模塊，如圖3所示。在模塊內(nèi)部定義了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的緩存寄存器，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線緩沖器。

圖2 8251A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Internal structure of 8251A

圖3 8251A模塊劃分Fig.3 Module division of 8251A

圖3中，左邊與CPU相連，右邊與其他串行接口相連。數(shù)據(jù)在控制信號的作用下首先被保存在鎖存模塊中，鎖存模塊再根據(jù)CnD信號將方式命令字和數(shù)據(jù)分別送給方式字和命令字處理模塊和發(fā)送邏輯模塊處理。方式字和命令字處理模塊接收方式字并解析命令字產(chǎn)生控制信號。發(fā)送邏輯模塊和接收邏輯模塊是主要模塊，分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，實現(xiàn)發(fā)送和接收過程控制分別由發(fā)送和接收狀態(tài)機完成[3]。

2.1 鎖存模塊

該模塊完成CPU端數(shù)據(jù)和地址的鎖存，通過nCS與nWR信號有效來鎖存地址和數(shù)據(jù)。

2.2 方式字和命令字處理模塊

方式字和命令字處理模塊完成初始化的方式字和命令字解碼，產(chǎn)生各種控制信號，并處理初始化完成后的命令字。復(fù)位信號生效后，數(shù)據(jù)輸入端（din）的方式字同步于時鐘輸出到方式字輸出（mode_out），同時設(shè)置方式字設(shè)置完成有效，然后才能解析接收到的命令字來輸出錯誤復(fù)位、發(fā)送接收使能信號位有效。

在8251A的應(yīng)用上，CPU端發(fā)送方式字和命令字是有先后順序的，先發(fā)送方式字后，才能再發(fā)送后續(xù)的各種命令字。需要設(shè)置一個方式字完成標(biāo)識信號，或者使用一個簡單的狀態(tài)機完成方式字和命令字的處理，方式字命令字的處理還要注意和時鐘同步，可以加入中間寄存器，中間寄存器根據(jù)讀寫邏輯保存方式字和命令字，然后通過時鐘同步輸出。

2.3 發(fā)送邏輯模塊

發(fā)送邏輯模塊根據(jù)方式字的設(shè)置，按照規(guī)定的字長、奇偶位和停止位來發(fā)送數(shù)據(jù)，該模塊主要實現(xiàn)并串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、按順序的數(shù)據(jù)發(fā)送、生成奇偶校驗碼、分頻計數(shù)等功能。按照這個思路可將發(fā)送邏輯模塊分為幾個子模塊，如圖4所示。其中Tx_fifo為可選子模塊，用于數(shù)據(jù)的緩存，Tx_shift_mux為并串轉(zhuǎn)換移位輸出子模塊。Tx_state_machine為發(fā)送狀態(tài)機子模塊，Tx_clk_cn為發(fā)送數(shù)據(jù)位和分頻計數(shù)子模塊，Tx_parity_gen為奇偶校驗位生成模塊，這3個子模塊產(chǎn)生信號控制Tx_shift_mux按照方式字的要求同步于發(fā)送時鐘輸出串行數(shù)據(jù)。

圖4 發(fā)送邏輯模塊的子模塊劃分Fig.4 Sub-module division of send logic module

2.4 接收邏輯模塊

接收邏輯模塊和發(fā)送邏輯模塊的實現(xiàn)類似，只是數(shù)據(jù)流方向相反，當(dāng)檢測到串行輸入引腳RxD上為低電平時，開始接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收部分將接收的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，并作錯誤檢查，更新狀態(tài)字，使RxRDY引腳信號有效。該模塊可分成4個子模塊來實現(xiàn)，如圖5所示，Rx_shift_mux子模塊將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，Rx_clk_cn子模塊對接收的數(shù)據(jù)位和時鐘分頻計數(shù)，Rx_state_machine為主要控制子模塊，Rx_parity子模塊為奇偶校驗子模塊。接收邏輯模塊中最后的并行數(shù)據(jù)需要用寄存器緩存。

圖5 接收邏輯模塊的子模塊劃分Fig.5 Sub-module division of receive logic module

3 實驗應(yīng)用

3.1 8251A功能仿真

完成芯片的設(shè)計和VHDL源代碼實現(xiàn)后，通過Modelsim軟件來驗證邏輯的正確性[4]。仿真中需要測試文件來產(chǎn)生信號激勵，同時對接收的數(shù)據(jù)進行驗證。測試模塊和8251A的連接方式如圖6所示。

圖6 功能仿真信號連接圖Fig.6 Functional simulation signal connection diagram

8251A_top為測試系統(tǒng)最頂層的模塊，8251Atb為Test Bench模塊，該模塊產(chǎn)生激勵信號，先后寫方式字和命令字，然后發(fā)送數(shù)據(jù)，由于8251A的txd和rxd相連，發(fā)送的數(shù)據(jù)又可通過rxd讀回來，通過比較寫的數(shù)據(jù)和讀的數(shù)據(jù)，如果相同則發(fā)送和接收都不存在問題，由于8251A功能特性較多，這里只作基本的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能的測試。測試文件的實現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 測試文件實現(xiàn)流程圖Fig.7 Flow chart of test file

ModelSim中仿真的波形如圖8所示。根據(jù)8251A的外部特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出基本的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)和信號都符合邏輯要求，各種狀態(tài)中斷信號也滿足要求。

圖8 功能仿真波形圖Fig.8 Oscillogram of functional simulation

3.2 綜合實現(xiàn)

FPGA開發(fā)板是以Xilinx公司的Spartan 3A系列中的XC3S200A為主芯片，采用Xilinx提供的開發(fā)套件ISE來完成芯片設(shè)計的驗證工作。綜合完成后的邏輯網(wǎng)表使用ISE工具將網(wǎng)表中的邏輯單元配置到具體型號的FPGA器件上，這個工作稱為“實現(xiàn)”（Implementation）。Xilinx的實現(xiàn)過程分為翻譯（Translate）、映射（Map）和布局布線（Place&Route）3 步[5]。

3.3 下載測試

在布局布線完成后，使用ISE的iMPACT工具可以將生成的配置文件加載到實際的硬件環(huán)境中測試，成功配置好FPGA后，編寫上位機來測試設(shè)計的芯片8251A，下載芯片代碼對FPGA編程，打開WINDOWS超級終端，選擇波特率9 600，根據(jù)程序設(shè)置8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗，數(shù)據(jù)流控制設(shè)置為”Xon/Xoff”，在多功能微機接口與原理實驗平臺上，可實現(xiàn)8251A與主機RS232接口的通信。實驗現(xiàn)象為：在超級終端中輸入字符，實驗運行環(huán)境下能接收到；在實驗環(huán)境下輸入字符，超級終端中能接收到。如圖9所示：

圖9 實驗現(xiàn)象Fig.9 Experimental phenomena

4 結(jié) 論

采用FPGA設(shè)計串行接口芯片8251A，實現(xiàn)了8251A的異步傳輸方式，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，由于FPGA芯片具有重復(fù)編程的能力，該方案可以應(yīng)用于接口實驗系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)不同的實驗要求規(guī)劃不同的實驗控制邏輯，然后將實驗邏輯下載到FPGA芯片中完成實驗功能。與傳統(tǒng)的接口實驗方法相比較，實驗時可以省去了大量繁瑣的接線時間，可以把重點放在電路的設(shè)計、仿真和驗證上，可以更好地達到實驗?zāi)康模鰪娕c拓寬了實驗系統(tǒng)的功能，使實驗系統(tǒng)具有極強的靈活性和適應(yīng)性。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機教學(xué)實驗的內(nèi)容和方法也應(yīng)改變。但是，目前計算機實驗教學(xué)中，仍然是“驗證式”的實驗為主，而“開放式”的設(shè)計與制作型實驗還很少，其中的一個原因就是實驗設(shè)備和實驗條件的限制[6]。的設(shè)計方法可以應(yīng)用于實驗設(shè)備改進，為微機接口實驗課程改革提供了基礎(chǔ)，讓單一的“驗證式”傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，盡早改變成既有“驗證式”，又有“開放式”實驗教學(xué)模式。

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