0 引 言
在計算機的數據通信中，外設一般不能與計算機直接相連，它們之間的信息交換主要存在以下問題：
(1)速度不匹配。外設的工作速度和計算機的工作速度不一樣，而且外設之間的工作速度差異也比較大。
(2)數據格式不匹配。不同的外設在進行信息存儲和處理時的數據格式可能不同，例如最基本的數據格式可分為并行數據和串行數據。
(3)信息類型不匹配。不同的外設可能采用不同類型的型號，有些是模擬信號，有些是數字信號，因此采用的處理方式也不同。
為了解決外設和計算機之間的信息交換問題，即需要設計一個信息交換的中間環(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 Asynchronotls Receiv—er／Transmitter，UART)是輔助計算機與串行設備之間的通信，作為RS 232通信接口的一個重要的部分，目前大部分的處理器都集成了UART。
l UART的數據格式
UART的數據傳輸格式如圖1所示。
由于數字圖像亞像素在計算機中是用8位二進制表示，因此UART傳輸的有效數據位為8位。傳輸線在空閑時為高電平，因此有效數據流的開始位設為0。接著傳輸8位有效數據位，先從最低位開始傳送。奇偶檢驗位可以設置為奇檢驗、偶校驗或者不設置校驗位，由于本系統(tǒng)使用的傳輸速率不高，為了加快開發(fā)進程，減少電路面積，因此沒有設計奇偶檢驗模塊，數據流中不設奇偶檢驗位。最后停止位為高電平。
2 UART的基本結構
設計的UART主要由UART內核、信號檢測器、移位寄存器、波特率發(fā)生器和計數器組成，如圖2所示。UART各個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的輸入信號進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現新的數據則立即通知UART內核。信號檢測器的仿真波形如圖3所示。
其中，RxD第一次為低時，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位，RxD再次變低時，new_data又有輸出。可見信號檢測器的實現完全正確，其功能完全符合設計要求。
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據。當UART接收RS 232輸入時，移位寄存器在波特率模式下采集RS 232輸入信號，且保存結果；當進行RS 232輸出時，UART內核首先將數據加載到移位寄存器內，再使移位寄存器在波特率模式下將數據輸出到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，移位寄存器在復位后的每個時鐘的上升沿工作。由于數據發(fā)送時是先發(fā)送有效數據的最低位，因此移位寄存器是將接收的數據由高位向低位移動，dout輸出移位寄存器的最低位。圖中的regs數據用16進制表示。
2．3 波特率發(fā)生器模塊
波特率發(fā)生器的功能是產生和RS 232通信所采用的波特率同步的時鐘，這樣才能方便地按照RS 232串行通信的時序要求進行數據接收或者發(fā)送。比如，波特率為9 600 b／s，即每秒傳輸9 600 b數據，則同步的波特率時鐘頻率為9 600 Hz，周期為1／9 600=O．104 17。設計波特率時鐘的基本思路就是設計一個計數器，該計數器工作在速度很高的系統(tǒng)時鐘下，當計數器計數到某數值時將輸出置高，再計數到一定的數值后再將輸出置低，如此反復便能夠得到所需的波特率時鐘。該系統(tǒng)所用的FPGA系統(tǒng)時鐘為50 MHz，RS 232通信的波特率為9 600 b／s，則波特率時鐘的每個周期相當于
5 208個系統(tǒng)時鐘周期。假如要得到占空比為50％的波特率時鐘，只要使得計數器在計數到1 604時將輸出置高，之后在計數到5 208時將輸出置低并且重新計數，就能實現和9 600波特率同步的時鐘。
為了便于仿真，使計數器計到2時將輸出置高，之后計到4時將輸出置地并且重新計數。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)生器每經過4個時鐘周期輸出1個完整的波特率時鐘周期，占空比為1／2，并且在每次輸出波特率時鐘周期之后輸出1 個系統(tǒng)時鐘脈寬的提示信號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鐘周期個數。由波形圖可見波特率發(fā)生器的工作完全滿足設計的要求。
2．4 計數器模塊
計數器模塊的功能是可控的，在輸入時鐘的驅動下進行計數，當達到計數上閾時給UART內核一個提示信號。在不同的工作狀態(tài)下，計數器模塊的輸入時鐘是不同的。UART在數據發(fā)送之前需要進行數據加載(即將串行序列保存在移位寄存器內)，在此工程中計數器模塊的輸入時鐘為系統(tǒng)時鐘，因為此時移位寄存器也工作在系統(tǒng)時鐘下。除了數據加載，另外2個需要計數器模塊的過程是數據接收和數據發(fā)送。
由于這兩個過程中移位寄存器工作在波特率時鐘下，所以計數器模塊的時鐘就是與波特率時鐘同步的波特率發(fā)生器提示信號iladicator，這樣每輸出1個完整的波特率時鐘周期計數器就能增加1。
計數器的仿真波形圖如圖6所示。
計數器在復位后并且ce有效時開始計數，并且在第10個時鐘周期輸出提示信號overflow。
2．5 發(fā)送數據緩沖器模塊
發(fā)送數據緩沖器模塊的功能是將要發(fā)送的并行數據轉換成串行數據，并且在輸出的串行數據流中加入起始位和停止位。緩沖器首先將要發(fā)送的8位數據寄存，并在最低位后添加起始位‘O’，在最高位前添加停止位‘1’，組成10位要發(fā)送的數據。然后根據 UART內核模塊的計數值將相應的數據送入移位寄存器輸入端。
UART內核模塊輸出的計數值是從0依次計到9，即先將要發(fā)送數據的最低位送入移位寄存器。發(fā)送數據緩沖器的仿真波形圖如圖7所示。
由波形圖可知，發(fā)送數據緩沖器在復位后，在輸入的計數值si_count為0時，send_si輸出起始位‘O’。在輸入的計數值 si_count為1～8時，send_si分別輸出send_bus上相應的數據位。在輸入的計數值sl_count為9時，send_si輸出停止位 ‘1’。
2．6 UART內核模塊
UART內核模塊是整個設計的核心。在數據接收時，UART內核模塊負責控制波特率發(fā)生器和移位寄存器，使得移位寄存器在波特率時鐘的驅動下同步地接收并且保存RS 232接收端口上的數據。在數據發(fā)送時，UART內核模塊首先根據待發(fā)送數據產生完整的發(fā)送數據序列(包括起始位、數據位和停止位)，之后控制移位寄存器將序列加載到移位寄存器的內部寄存器里，最后再控制波特率發(fā)生器驅動移位寄存器將數據串行輸出。UART內核模塊的主要功能是控制數據接收、數據加載和數據發(fā)送的過程，這可以用狀態(tài)機來實現，其狀態(tài)圖如圖8所示。
(1)數據加載過程。數據的接收過程可以定義3個狀態(tài)：空閑“idle”狀態(tài)、接收“receive”和接收完成 “receive_over”。UART內核模塊在復位后進入空閑狀態(tài)。如果信號檢測器檢測到數據傳輸，即new_data一‘1’，UART內核檢測到此信號就會進入接收狀態(tài)。在UART進入由空閑狀態(tài)轉為接收狀態(tài)過程中，需要進行一系列的接收預備操作，包括將子模塊復位、選擇移位寄存器串行輸人數據以及選擇移位寄存器的輸入時鐘等。進入接收狀態(tài)后，波特率發(fā)生器開始工作，其輸出波特率時鐘驅動移位寄存器同步的存儲RS 232接收端口上的數據，并且其提示信號“indicator”驅動計數器進行計數。當所有數據接收完成，計數器也達到了其計數的上閾，此時 overflow=‘1’，通知UART內核進入接收狀態(tài)。UART內核進入接收完成狀態(tài)的同時，會檢查奇偶校驗的結果，同時使得子模塊使能信號無效，以停止各個子模塊。
UART內核的接收完成狀態(tài)僅保持1個時鐘周期，設置這個狀態(tài)的作用是借用一個時鐘周期復位信號檢測器，準備接收下次數據傳輸。
(2)數據加載和發(fā)送過程。數據加載和發(fā)送的過程都是為發(fā)送數據而設定的，所以將它們放在一起進行介紹，可以用4個狀態(tài)來實現上述的過程，即空閑、加載、發(fā)送和發(fā)送完成。其中的空閑狀態(tài)是UART內核復位后的空閑狀態(tài)，與上面介紹的數據接收過程的空閑狀態(tài)一致。數據加載過程在數據發(fā)送過程之前進行。UART內核復位后進入空閑狀態(tài)，當探測到發(fā)送控制信號有效時，即send=‘1’，便會進入加載狀態(tài)開始數據加載。在進入加載狀態(tài)的同時，UART內核會將移位寄存器、計數器復位，并且通過選擇信號使得移位寄存器的輸入為發(fā)送數據緩沖器模塊產生的串行數據序列，使得移位寄存器和計數器的工作時鐘為系統(tǒng)時鐘。進入加載狀態(tài)后，在UART內核控制下，發(fā)送數據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據輸入端，發(fā)送的序列是和系統(tǒng)時鐘同步的，移位寄存器在系統(tǒng)時鐘的驅動下不斷讀人輸入端數據并保存在內部寄存器內。在移位寄存器加載數據的同時，計數器也在時鐘的驅動下進行計數，由于都是工作在系統(tǒng)時鐘下，所以當所有數據被加載時，計數器也達到了計數的上閾(即串行數據的總量)，此時overflow=‘1’，通知UART內核進入發(fā)送狀態(tài)。UART內核進入發(fā)送狀態(tài)的同時會改變幾個選擇信號，比如將移位寄存器的時鐘設為波特率時鐘，將計數器時鐘設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鐘的驅動下內部寄存器的數據串行的發(fā)送出去，同時計數器在波特率發(fā)生器的提示信號驅動下進行計數。UART內核在計數器到達計數上閾后便進入發(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模塊連接起組成1個完整的UART模塊。為了驗證 UART模塊的正確性，對UART的發(fā)送過程和接收過程分別進行了波形仿真。為便于觀察波形，波特率產生器設置為4個系統(tǒng)時鐘產生一個完整的波特率時鐘。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上的數據序列為0101010101，起始位‘O’后為數據位“10101010”，最后一位為停止位 ‘1’。在10個波特率時鐘之后，UART發(fā)出1個接收完成信號recv一‘1’，并在數據輸出端“new_data”將接收的數據輸出給后續(xù)數據處理模塊。由于發(fā)送數據時首先發(fā)送數據的最低位，因此接收的數據應為“01010101”，將光條放置數據輸出端“new_data”的數據輸出波形上，可以從數據欄看到此時數據輸出端new_data=“01010101”，UART數據接收功能完全正確。
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)送數據為“01010101”，將待發(fā)送數據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上的數據序列為“0101010101”，發(fā)送停止位后，發(fā)送結束信號send_over=‘1’。圖10 證明UART數據發(fā)送功能完全正確。
4 結 語
介紹了UART在可編程邏輯器件FPGA上的實現，并通過實際電路驗證了設計的功能，使用FPGA不僅可以方便地用串口協(xié)議與PC 機進行串行通信，而且擴展了板級系統(tǒng)的接口功能。應用在可編程器件FP—GA內部，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。