異步串行通信接口的IP核設計

關(guān)鍵詞：SCI IP核設計 狀態(tài)機 數據流

引言

目前，基于傳統IC芯片的微電子應用系統設計技術(shù)正在轉向基于知識產(chǎn)權（IP，Intellectual Property）核的片上系統（SoC，System on Chip）技術(shù)發(fā)展。另外，IC設計在國內的發(fā)展很快，各種規模的IC設計中心和公司不斷出現。因此，IP核的設計已開(kāi)始逐漸成為國內微電子系統設計的一項支撐技術(shù)。從應用功能角度劃分IP核有兩大類(lèi)：微處理器IP核（如8位8051核、32位ARM核等）和各種接口IP核（如LCD控制器、各種串行總線(xiàn)接口IP核等）。本文以異步串行通信接口（SCI，Serial Communication Interface）接口IP核結構設計為例，說(shuō)明SCI、UART、SPI、USB等接口IP核的設計方法。

SCI的通信方式采用標準NRZ格式來(lái)進(jìn)行外設間的異步數字通信。因其結構簡(jiǎn)法，通常嵌入到DSP、MCU和MPU或外設控制芯片內部，作為芯片的一個(gè)接口功能模塊。SCI通常由三個(gè)功能單元構成：波特率脈沖產(chǎn)生單元、發(fā)送單元和接收單元。其結構如圖1所示。在SCI數據收發(fā)中，數據幀的數據格式要比地址幀的數據格式復雜得多。在不同的通信方式下，數據幀的格式是不同 的。為此在發(fā)送器和接收器中各引入了與數據幀格式相對應的狀態(tài)機來(lái)實(shí)現數據流的控制。本文所介紹的就是基于這種設計思想的一種通用設計方法。

1 SCI數據發(fā)送單元

數據發(fā)送單元主要功能是完成數據的并/串轉換及發(fā)送，同時(shí)產(chǎn)生發(fā)送標志位。其結構如圖2所示，字符發(fā)送狀態(tài)機如圖3所示。下面簡(jiǎn)要介紹發(fā)送單元各功能模塊及其狀態(tài)轉換。

（1）TXD時(shí)鐘八分頻器

對基于波特率時(shí)鐘進(jìn)行八分頻，并輸出兩個(gè)基本脈沖―TXD_CLK_WORK（用于計數、移位等）和TXD_CLK_END（用于標志位的生成和數據流輸出）。

（2）TXD狀態(tài)寄存器

通過(guò)此狀態(tài)寄存器設置通信控制寄存器2的兩個(gè)控制位―TXEMPTY和TXRDY位，以表示數據寫(xiě)入SCI_TXBUF和啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程。

（3）發(fā)送字符計數器

當字符狀態(tài)機的輸出狀態(tài)為允許字符計數時(shí)，其開(kāi)始對發(fā)送的字符計數。當計數器值等于編程的字符數時(shí)，輸出TX_CHAP_REACH信號作為字符狀態(tài)機激勵，使之進(jìn)入非字符輸出狀態(tài)。

（4）發(fā)送空閑線(xiàn)計數器

當字符狀態(tài)機進(jìn)入發(fā)送空閑線(xiàn)數據狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始工作。當計數到一定值時(shí)，輸出信號TX_IDLECOUT_REACH作為字符狀態(tài)機激勵，使之進(jìn)入非空閑線(xiàn)數據計數狀態(tài)。

（5）發(fā)送數據流的形成

在TXBUF2SHIFT的高電平脈沖作用下，在SCI_TXBUF中待發(fā)送數據，經(jīng)過(guò)選擇器選擇指定位數的數據送入SCI_TXSHIFT低位，不足的高位清“0”。與此同時(shí)，TXWAKE數據也送到WUT寄存器，在地址位模式情況下，由ADDR_IDLE控制在WUT中形成地址位；并由SCI_TXSHIFT數據位、地址位和奇偶方式位三者邏輯或形成奇偶校驗位。

（6）當前發(fā)送字符狀態(tài)機

在啟動(dòng)、控制位、計數器溢出等激勵作用下，實(shí)現發(fā)送字符狀態(tài)的輸出和轉換。發(fā)送字符狀態(tài)機的激勵有：TXEMPTY（為“0”時(shí)啟動(dòng)TXD發(fā)送）、ADDR_IDLE（地址/空閑線(xiàn)模式選擇位）、PARENA（奇偶校驗使能位）、STOPBIT（選擇1或2個(gè)停止位）、WUT（發(fā)送空閑位數據允許位）、TX_CHARCOUT_REACH（發(fā)送字符數目已夠位）、TX_IDLECOUT_REACH（發(fā)送空閑數目已夠位）。發(fā)送字符狀態(tài)機（見(jiàn)圖3）的狀態(tài)有：1為幀停止位（1位），3為幀第1停止位（2位），5為幀第2停止位（2位），8位幀起始位，9為待機狀態(tài)，A為幀數據位，B為空閑線(xiàn)模式起始位，C為幀地址位，E為幀奇偶校驗位，F為空閑線(xiàn)模式停止位，D為空閑線(xiàn)模式計數0～7。

2 SCI數據接收單元

數據接收單元的功能是完成串行數據接收及接收標志位的生成。其結構如圖4所示，接收起始位檢測和接收字符狀態(tài)機如圖5、圖6所示。

接收單元各功能模塊及狀態(tài)轉換說(shuō)明如下。

（1）RXD時(shí)鐘八分頻器

對波特率時(shí)鐘進(jìn)行八分頻，并保持其與所接收串行數據流的字符同步。其輸出兩個(gè)時(shí)鐘脈沖：RXD_CLK_WORK，用于計數、移位等；RXD_CLK_END，為數據流各種方式的停止位前一個(gè)字節時(shí)間段內提供脈沖。

圖4 SCI數字接收單元

（2）起始位檢測模塊

是一種三位四狀態(tài)機。其激勵有兩個(gè)：RXD_1_VALUE―接收的串行數據流激勵；RXD_END_CHK―一次接收完畢的脈沖激勵。其狀態(tài)有如下幾種（見(jiàn)圖5）：0（待機狀態(tài)）、1（空狀態(tài)）、2（空狀態(tài)）、3（發(fā)現“1”到“0”的跳變狀態(tài)）、4（輸出時(shí)鐘同步信號）、5（字符接收過(guò)程中輸出RXD_CLK_AYN和RXD_START_DRV）。

（3）字符檢測模塊

主要功能是接收數據流。其在采樣時(shí)鐘驅動(dòng)下數據流通過(guò)三個(gè)寄存器，隨后在RXD_CLK_WORK脈沖作用下，三個(gè)寄存器的數據通過(guò)表決電路，把數據送到接收數據緩沖器RXD_VALUE中，為把數據送到移位寄存器RX_SHIFT做準備。

（4）當前接收字符狀態(tài)機

用來(lái)標識當前所接收的數據是哪一種字符，以及在下一個(gè)RXD_CLK_WORK字符周期將轉換到哪一種狀態(tài)，并且根據當前接收字符的狀態(tài)，驅動(dòng)其它部件進(jìn)行合適的操作。其激勵有：RXD_START_DRV（RXD起始位有效激勵）、RX_CHAR_REACH（RXD字符接收數目已夠）、CCR3_ADDR_IDLE（地址/空閑線(xiàn)模式選擇）、CCR5_PARENA（奇偶校驗使能）。其狀態(tài)（見(jiàn)圖6）有：0（待機狀態(tài)）、1（幀數據位）、2（幀起始位）、3（幀地址位）、4（幀奇偶校驗位）、5（空狀態(tài)）、6（幀停止位）。

（5）接收字符計數器

當接收字符狀態(tài)機處于幀數據位階段時(shí)，其開(kāi)始計數；當與可編程的數據相同時(shí)，輸出RX_CHAR_REACH給接收字符狀態(tài)機。

（6）接收空閑線(xiàn)計數器

當處于待機狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始計數器，當計數到一定時(shí)，輸出一個(gè)脈沖，將RXSP1_RXWAKE置位為1；在下一個(gè)字符即將接收、讀取SCI_RXBUF寄存器或SCI復位的情況下，RXST1_RXWAKE被復位為0。

（7）接收數據移位寄存器（SCI_RXSHIFT）

根據接收字符狀態(tài)機的狀態(tài)接收與檢測的串行數據流，將所接收的正確數據送入SCI_RXBUF并置相應的標志，否則置出錯標志。

（8）BRKDT間斷檢測計數器

當產(chǎn)生RXST4_FE幀錯誤時(shí)，開(kāi)始工作。當RXD_VALUE為“1”時(shí)，其被復位；當RXD_VALUE為“0”時(shí)，表示沒(méi)有數據接收，開(kāi)始計數；當計到一定值時(shí)，輸出計數滿(mǎn)信號，此時(shí)間斷檢測標志RXST5_BRKDT被置位。

結語(yǔ)

綜上所述，在各種串行接口IP核設計中，可將其內部單元結構劃分為控制和執行兩大部分。其中，控制邏輯的設計采用以單極或多級狀態(tài)機為核心，并配合其各種激勵單元的結構設計，可以做到結構清晰，并可實(shí)現較復雜的邏輯；執行機構的設計采用以控制邏輯輸出的狀態(tài)為中心，來(lái)設計數據選擇器或數據分配器，可實(shí)現數據流的復雜流向（請見(jiàn)網(wǎng)絡(luò )補充版：www.dpj.com.cn）。