基于EDA技術(shù)的通用異步收發(fā)器設(shè)計(jì)

摘 要：信息網(wǎng)絡(luò)課程是電子信息專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)通信獲得較完整的概念，并掌握數(shù)據(jù)通信的基本理論，為以后學(xué)習(xí)現(xiàn)代通信網(wǎng)，并為從事數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)通信工作提供知識(shí)儲(chǔ)備。同時(shí)EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)作為現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心，在電子信息、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。本文通過(guò)通用異步收發(fā)器的設(shè)計(jì)實(shí)例，把EDA技術(shù)應(yīng)用于信息網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)當(dāng)中，一方面使得網(wǎng)絡(luò)課程的理論教學(xué)更加直觀，大大增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，另一方面鍛煉了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。在實(shí)踐教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：信息網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)通信 EDA技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN791；G642.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2014）01（a）-0156-02

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，通過(guò)串行通信來(lái)達(dá)到交換信息數(shù)據(jù)的目的是經(jīng)常采用的方式。異步串行通信要求的傳輸線少，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)，被廣泛應(yīng)用于PC機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)交換。通常都由通用異步收發(fā)器UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。同時(shí)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，SOC片上系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，設(shè)計(jì)者可以在單塊或極少數(shù)的幾塊芯片中實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能，將UART的功能模塊集成到可編程邏輯器件FPGA （Field Programmable Gate Array）中。利用EDA（Electronic Design Automation）技術(shù)優(yōu)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)串行通信接口，不僅可以直觀的讓同學(xué)們了解到數(shù)據(jù)鏈路層的工作原理，還可以在分工協(xié)作中深刻領(lǐng)會(huì)EDA技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的實(shí)際應(yīng)用。

1 UART工作原理和流程

通過(guò)對(duì)UART工作原理的分析，我們把整個(gè)系統(tǒng)模塊可劃分波特發(fā)生器，內(nèi)核，信號(hào)檢測(cè)器，移位寄存器，奇偶校驗(yàn)器，總線選擇器和計(jì)數(shù)器等。UART的工作流程可以分為發(fā)生和接收兩個(gè)過(guò)程。

1.1 接收過(guò)程

當(dāng)UART信號(hào)監(jiān)測(cè)器模塊的輸入口偵測(cè)到數(shù)據(jù)時(shí)，即輸入口由高電平變?yōu)榈碗娖?，UART讀取串行數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)并行輸給計(jì)算機(jī)。首先UART內(nèi)核會(huì)重置波特率發(fā)生器和移位寄存器，并且設(shè)置移位寄存器的時(shí)鐘為波特率時(shí)鐘，以準(zhǔn)備接收串行數(shù)據(jù)。接著，移位寄存器模塊在波特率時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，不斷讀取串行總線的輸入數(shù)據(jù)，并將串行數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部的寄存器中。接收完畢，UART內(nèi)核會(huì)對(duì)已接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)并輸出校驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，UART內(nèi)核會(huì)復(fù)位信號(hào)監(jiān)測(cè)器，以準(zhǔn)備進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)接收。

1.2 發(fā)送過(guò)程

由加載Load和發(fā)送Send兩個(gè)部分組成，如圖3所示。加載是內(nèi)核依串行發(fā)送的順序?qū)⑵鹗嘉弧?shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位依次加載到移位寄存器內(nèi)，這個(gè)過(guò)程移位寄存器工作在系統(tǒng)時(shí)鐘下，相對(duì)于外部總線傳輸速度來(lái)說(shuō)非常快。完成加載后，內(nèi)核會(huì)復(fù)位波特率發(fā)生器，并且指示移位寄存器工作在波特率模式下，移位寄存器便在波特率時(shí)鐘下依次將加載的數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)送口。

2 UART奇偶校驗(yàn)位發(fā)生器的設(shè)計(jì)

奇偶校驗(yàn)位發(fā)生器的功能：（1）依據(jù)奇偶校驗(yàn)規(guī)則（奇校驗(yàn)ODD，偶校驗(yàn)EVEN）的選定和輸入的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)，計(jì)算出校驗(yàn)位并與輸入的串行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)位比較來(lái)判斷數(shù)據(jù)的正誤；（2）根據(jù)校驗(yàn)規(guī)則為由計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的并行數(shù)據(jù)，添加校驗(yàn)位。

利用modelsim軟件對(duì)上述奇偶校驗(yàn)位發(fā)生器進(jìn)行功能仿真，由仿真結(jié)果知，此模塊設(shè)計(jì)正確，其功能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 UART波特率發(fā)生器模塊的設(shè)計(jì)

波特率發(fā)生器分別為數(shù)據(jù)接收和發(fā)送過(guò)程中的計(jì)數(shù)器以及串行數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中的移位寄存器提供時(shí)鐘。本文采用9600 bit/s的波特率發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。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，這樣才能正確無(wú)誤地按照RS-232串行通信的時(shí)序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收。若要得到占空比為50%的波特率時(shí)鐘，只要讓計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)到5208×50%=2604時(shí)輸出高電平，之后在計(jì)數(shù)到5208時(shí)，輸出置低電平并且重新計(jì)數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)和9600 bit/s 同步的時(shí)鐘。

4 UART頂層模塊的設(shè)計(jì)

頂層模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)內(nèi)核和各模塊之間的連接，接口定義如表1所示。

在波特率為9600 bit/s下，對(duì)UART進(jìn)行發(fā)送功能仿真，得到數(shù)據(jù)發(fā)送的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖中表明，TOTAL_BIT表示總數(shù)據(jù)位數(shù)，由計(jì)算機(jī)發(fā)送給UART的等待從TxD口發(fā)送的數(shù)據(jù)send_bus是01010101，由send信號(hào)觸發(fā)后，TxD輸出001010101，其中第一位是起始位，中間的八位是send_bus，TxD發(fā)送完成后輸出指示信號(hào)send_over。RxD上的數(shù)據(jù)為0101010010，其中起始位為0，之后是10101010。recv_buf最終變?yōu)榱?0101010，接收完成后recv會(huì)輸出保持一個(gè)時(shí)鐘周期的高電平。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)基于FPGA的UART的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了異步串行通訊的基本功能，并通過(guò)modelsim仿真軟件進(jìn)行了功能仿真。本設(shè)計(jì)具有較大的靈活性，在實(shí)際運(yùn)用中可根據(jù)外部設(shè)備的具體要求，調(diào)整波特率發(fā)生器模塊的分頻參數(shù)、設(shè)置不同的數(shù)據(jù)幀格式和校驗(yàn)方式等。通過(guò)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行立題分析，然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分解，交給同學(xué)們分組完成。通過(guò)這種方法，不僅大大加深了同學(xué)們對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層、奇偶校驗(yàn)和波特率設(shè)置的概念理解，而且也讓同學(xué)們對(duì)EDA技術(shù)在實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用有了直觀的認(rèn)識(shí)，通過(guò)這樣的教學(xué)方法，把EDA技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)更緊密結(jié)合起來(lái)，在實(shí)際教學(xué)中起到了良好的效果。

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