基于FPGA的UART設計與實(shí)現
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通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver／Transmitter，UART)可以和各種標準串行接口，如RS 232和RS 485等進(jìn)行全雙工異步通信，具有傳輸距離遠、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。一般UART由專(zhuān)用芯片如8250，16450來(lái)實(shí)現，但專(zhuān)用芯片引腳都較多，內含許多輔助功能，在實(shí)際使用時(shí)往往只需要用到UART的基本功能，使用專(zhuān)用芯片會(huì )造成資源浪費和成本提高。
一般而言UART和外界通信只需要兩條信號線(xiàn)RXD和TXD，其中RXD是UART的接收端，TXD是UART的發(fā)送端，接收與發(fā)送是全雙工形式。由于可編程邏輯器件技術(shù)的快速發(fā)展，FPGA的功能日益強大，其開(kāi)發(fā)周期短、可重復編程的優(yōu)點(diǎn)也越來(lái)越明顯，在FPGA芯片上集成UART功能模塊并和其他模塊組合可以很方便地實(shí)現一個(gè)能與其他設備進(jìn)行串行通信的片上系統。
1 UART功能設計
1．1 UART的工作原理
異步通信時(shí)，UART發(fā)送／接收數據的傳輸格式如圖1所示，一個(gè)字符單位由開(kāi)始位、數據位、停止位組成。
異步通信的一幀傳輸經(jīng)歷以下步驟：
(1)無(wú)傳輸。發(fā)送方連續發(fā)送信號，處于信息“1”狀態(tài)。
(2)起始傳輸。發(fā)送方在任何時(shí)刻將傳號變成空號，即“1”跳變到“O”，并持續1位時(shí)間表明發(fā)送方開(kāi)始傳輸數據。而同時(shí)，接收方收到空號后，開(kāi)始與發(fā)送方同步，并期望收到隨后的數據。
(3)奇偶傳輸。數據傳輸之后是可供選擇的奇偶位發(fā)送或接收。
(4)停止傳輸。最后是發(fā)送或接收的停止位，其狀態(tài)恒為“1”。
發(fā)送或接收一個(gè)完整的字節信息，首先是一個(gè)作為起始位的邏輯“0”位，接著(zhù)是8個(gè)數據位，然后是停止位邏輯“1”位，數據線(xiàn)空閑時(shí)為高或“1”狀態(tài)。起始位和停止位的作用是使接收器能把局部時(shí)鐘與每個(gè)新開(kāi)始接收的字符再同步。異步通信沒(méi)有可參照的時(shí)鐘信號，發(fā)送器可以隨時(shí)發(fā)送數據，任何時(shí)刻串行數據到來(lái)時(shí)，接收器必須準確地發(fā)現起始位下降沿的出現時(shí)間，從而正確采樣數據。
設計時(shí)可參考由專(zhuān)用芯片實(shí)現的UART的功能并進(jìn)行一定精簡(jiǎn)，如可以用FPGA的片內RAM替代UART的FIFO，不用單獨在UART模塊中實(shí)現。設計的基本原則是保留最主要的功能，基于FPGA的UART系統由波特率時(shí)鐘發(fā)生器、接收器和發(fā)送器3個(gè)子模塊組成，如圖2所示。
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