基于FPGA的UART設(shè)計與實現(xiàn)
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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。一般UART由專用芯片如8250，16450來實現(xiàn)，但專用芯片引腳都較多，內(nèi)含許多輔助功能，在實際使用時往往只需要用到UART的基本功能，使用專用芯片會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，其開發(fā)周期短、可重復編程的優(yōu)點也越來越明顯，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現(xiàn)一個能與其他設(shè)備進行串行通信的片上系統(tǒng)。
1 UART功能設(shè)計
1．1 UART的工作原理
異步通信時，UART發(fā)送／接收數(shù)據(jù)的傳輸格式如圖1所示，一個字符單位由開始位、數(shù)據(jù)位、停止位組成。
異步通信的一幀傳輸經(jīng)歷以下步驟：
(1)無傳輸。發(fā)送方連續(xù)發(fā)送信號，處于信息“1”狀態(tài)。
(2)起始傳輸。發(fā)送方在任何時刻將傳號變成空號，即“1”跳變到“O”，并持續(xù)1位時間表明發(fā)送方開始傳輸數(shù)據(jù)。而同時，接收方收到空號后，開始與發(fā)送方同步，并期望收到隨后的數(shù)據(jù)。
(3)奇偶傳輸。數(shù)據(jù)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)送或接收一個完整的字節(jié)信息，首先是一個作為起始位的邏輯“0”位，接著是8個數(shù)據(jù)位，然后是停止位邏輯“1”位，數(shù)據(jù)線空閑時為高或“1”狀態(tài)。起始位和停止位的作用是使接收器能把局部時鐘與每個新開始接收的字符再同步。異步通信沒有可參照的時鐘信號，發(fā)送器可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，任何時刻串行數(shù)據(jù)到來時，接收器必須準確地發(fā)現(xiàn)起始位下降沿的出現(xiàn)時間，從而正確采樣數(shù)據(jù)。
設(shè)計時可參考由專用芯片實現(xiàn)的UART的功能并進行一定精簡，如可以用FPGA的片內(nèi)RAM替代UART的FIFO，不用單獨在UART模塊中實現(xiàn)。設(shè)計的基本原則是保留最主要的功能，基于FPGA的UART系統(tǒng)由波特率時鐘發(fā)生器、接收器和發(fā)送器3個子模塊組成，如圖2所示。
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