FPGA實(shí)現UART和MCU一體化設計

摘要：現代數字電子系統設計正在朝著(zhù)新的方向發(fā)展，即利用FPGA技術(shù)進(jìn)行系境設計。介紹了一種利用FPGA來(lái)實(shí)現通用串行異步收發(fā)器(UA-RT)和控制通信的MCU的數字系統，底層設計模塊采用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現，并進(jìn)行了仿真驗證。該設計方法和理念為以后的計算機系統以及其他的數字電子系統提供了一個(gè)新的思路，應用此技術(shù)可以使系統設計更加緊湊、可靠。
關(guān)鍵詞：計算機系統；FPGA；VHDL；UART；MCU；有限狀態(tài)機

計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為現代電子設計提供了新的方法和途徑。傳統的電子設計采用功能獨立的分立元件進(jìn)行功能組合從而實(shí)現特定的功能，計算機設計初期也一直采用這種模式。但是隨著(zhù)近代電子技術(shù)的進(jìn)步，尤其是FPGA(Field Programmable Gate Array)的出現，使得電子設計和計算機設計都發(fā)生了很大的變化，尤其是在數字電子系統的設計領(lǐng)域。利用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA可以實(shí)現任何數字器件的功能，而且還可以大大縮短設計時(shí)間，減少PCB的面積，提高信號的傳輸質(zhì)量，提高系統的可靠性，增加設計的靈活性和可維護性。本文采用FPGA技術(shù)實(shí)現一個(gè)MCU與串行通信外設進(jìn)行簡(jiǎn)易通信的平臺，一方面了解了計算機的一些控制原理和工作流程；另一方面可以了解利用FPGA進(jìn)行電子設計的優(yōu)越性。

1 FPGA與電子設計
用FPGA進(jìn)行計算機I／O通信設備的開(kāi)發(fā)設計，實(shí)現了功能類(lèi)似Intel 8250及8251，美國半導體公司的16550串行通信接口的功能，同時(shí)實(shí)現了帶有簡(jiǎn)單類(lèi)忙編指令的微控制單元MCU來(lái)控制與外圍I／O設備的通信。整個(gè)設計采用VHDL在A(yíng)ltera的QuartusⅡV6．0進(jìn)行設計實(shí)現，并進(jìn)行仿真驗證。
1．1 FPGA的原理及其開(kāi)發(fā)平臺
通常的FPGA由布線(xiàn)資源分隔的可編程邏輯單元構成陣列，又由司編程I／O單元圍繞陣列構成整個(gè)芯片，排成這列的邏輯單元由布線(xiàn)通道中可編程內連線(xiàn)連接來(lái)實(shí)現一定的邏輯功能，也就是說(shuō)分段的互連線(xiàn)可以通過(guò)可編程開(kāi)關(guān)以任意方式連接起來(lái)形成邏輯單元的信號線(xiàn)。一個(gè)FPGA主要由邏輯陣列塊(LAB)、I／O塊、RAM塊和可編程的行／列線(xiàn)等組成。
1．2 FPGA的開(kāi)發(fā)軟件及設計流程
FPGA的開(kāi)發(fā)軟件一般由生產(chǎn)FPGA的廠(chǎng)商根據自己的產(chǎn)品特性提供專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具，目前主要流行的是Xilinx的ISE平臺和Altera的Quar-tus平臺。本文使用的是后者。使用該設計開(kāi)發(fā)軟件能夠完成FPGA系統設計的流程基本包括了設計輸入(原理圖輸入或HDL語(yǔ)言描述輸入)、綜合、布線(xiàn)、下載等工作。本文所設計的電子系統設計輸入采用VHDL語(yǔ)言。
選定了設計平臺后，只要考慮所要設計系統的功能，借助集成開(kāi)發(fā)環(huán)境即可完成想要的設計。一般來(lái)說(shuō)，利用FPGA進(jìn)行電子設計的完整的設計流程分為電路的設計與輸入、功能仿真、綜合、綜合后仿真、實(shí)現、布局布線(xiàn)后仿真、配置下載與調試等步驟。由于FPGA的靈活性和設計的可重復性，可以保證在任何仿真或者驗證步驟出現問(wèn)題時(shí)都能根據錯誤定位返回相應的步驟，以進(jìn)行更改或者重新設計。這是傳統電子設計方法無(wú)法比擬的。

2 系統設計與實(shí)現
本文所設計的系統實(shí)現了一個(gè)可簡(jiǎn)易匯編指令的微控制器MCU和一個(gè)計算機組成中的外圍串行通信I／O設備。通過(guò)實(shí)現的一部分I／O輸入／輸出指令和條件跳轉指令可實(shí)現與外設的通信控制。系統功能模塊劃分如圖1所示。

2．1 串行通信外設的設計與實(shí)現
在計算機系統組成中，串行通信占據重要地位，它的使用范圍包括計算機與外部設備之間，計算機與計算機之間、甚至在進(jìn)行前期CPU設計時(shí)都會(huì )用到。傳統的設計方法是應用Intel公司的8250／8251或者美國半導體的16550等芯片，但因設計復雜，占用電路體積大，而且出現問(wèn)題不容易跟蹤定位，所以本文采用FPGA實(shí)現。將串行通信的關(guān)鍵器件UART集成到FPGA內部，增加系統的可靠性，縮小PCB板體積，使得系統更加緊致，且能根據需要進(jìn)行適當的設計、擴充和裁剪。實(shí)現的該I／O設備功能劃分如圖2所示。