带硬件地址识别的UART IP 的设计和实现

带硬件地址识别的UART IP 的设计和实现

摘要：在通信和控制系统中，常使用异步串行通信控制器(UART)实现系统辅助信息的传输。为实现多点通信，通常用软件识别发往本站点或其它站点的数据，这会加大CPU的开销。介绍了一种基于FPGA的UART IP，由硬件实现多点通信时的数据过滤功能，降低了CPU的负担，提高了系统性能。

在通信和控制系统中，常使用异步串行通信实现多块单板之间的辅助通信，各个单板通过总线方式连接。为了实现点对点通信，需要由软件定义一套较复杂的通信协议，过滤往来的数据，消耗了CPU较多的时间。89C51单片机有一种九位通信方式，采用一位地址位来实现通信对象的选择，只对发往本地址的地址发生中断进而接收数据。通用的UART芯片如16C550和89C51等构成总线式的通信系统时，需要由CPU通过软件处理接收到的地址和产生九位的数据。本文介绍的UART采用Verilog HDL硬件描述语言设计，可以用FPGA实现，可应用于SoC设计中。其主要特性如下：

·全硬件地址识别，过滤数据不需要CPU的介入；支持一个特殊地址，可用于监听和广播。

·支持查询和中断两种工作方式，中断可编程。

·接收和发送通路分别有128Byte FIFO，每个接收字节附带状态信息。

·设计采用Verilog HDL语言，全同步接口，可移植性好。

·支持自环测试功能。

·波特率可以编程，支持八位或者九位两种数据格式。

设计的UART的九位串行数据格式如图1所示。在空闲状态，数据线处于高电平状态。总线由高到低跳变，宽度为一个波特率时间的负脉冲为开始位，然后是8bit的数据位。数据位后面是lbit的地址信息位。如果此位是1，表示发送的字节是地址信息；如果此位是0，传输的是正常数据信息。地址指示位后是串行数据的停止位。

1 UART设计

UART采用模块化、层次化的设计思想，全部设计都采用Verilog HDL实现，其组成框图如图2所示。整个UART IP由串行数据发送模块、串行数据接收模块、接收地址识别模块、接收和发送HIFO、总线接口逻辑、寄存器和控制逻辑构成。串行发送模块和接收完成并/串及串/并的转换，接收地址的识别由接收地址识别模块完成。发送和接收HIFO用于缓存发送和接收的数据。总线接口逻辑用于连接UART IP内部总线和HOST接口。寄存器和控制逻辑实现UART IP内部所有数据的收发、控制和状态寄存器、内部中断的控制及波特率信号的产生。以下详细说明主要部分的设计原理。

1.1 串行数据发送模块

串行数据发送模块将数据或地址码由并行转换为串行，并从串行总线输出。设计采用有限状态机实现，分为空闲、取数、发送三个状态。其状态迁移如图3所示。各个状态说明如下：

空闲状态：状态机不断检测发送使能位、UART使能位和发送FIFO空/满标志位，如果使能位为高、UART使能打开且FIFO空标志位为低，串行发送进入取数状态。

取数状态：在此状态，分两个周期从发送FIFO中取出待发送的数据或者地址，然后进入发送状态。

发送状态：在此状态，状态机按照九位串行数据的格式依次发送开始位、数据位、地址指示位。待停止位发送完毕后，返回空闲状态。一个字节的数据发送完毕后，进行下一个字节数据的发送流程。

1.2 串行数据接收模块

串行数据接收模块用于检测串行数据的开始位，将串行总线上的串行数据转换成并行数据并输出。接收逻辑也采用有限状态机实现，分为空闲状态、寻找开始位、接收数据和保存数据四个状态。其状态迁移图如图4所示。各个状态说明如下：

空闲状态：在此状态，不断检测接收使能、UART使能和串行输入信号的状态。如果串行输入信号出现由高到低的电平变化且UART使能和接收使能都为高，则将采样计数器复位，并进入寻找开始位状态。

寻找开始位：在此状态，状态机等待半个波特率的时间，然后重新检测串行输入的电平。如果为低，则判断收到的开始位有效，进入接收数据状态；否则认为数据总线上出现干扰，开始位无效，重新返回空闲状态。

接收数据：在此状态，依次接收串行数据线上的数据位、地址指示位和停止位，结束后进入保存数据状态。

保存数据：此状态将收到的串行数据以并行方式从接口的并行总线输出，然后返回空闲状态，准备进行下一个字节数据的搜索和接收。

为提高对串行输入上突发干扰的抵抗能力，对于接收数据，在脉冲的中间位置连续采样三次，较多的电平作为接收的有效数据。所有接收数据的采样频率为接收波特率的16倍。

1.3 硬件地址识别模块

硬件地址识别模块用于从接收到的数据中判断出地址和数据，在地址识别功能打开时，选择数据通过或者丢弃；而该功能关闭时，所有数据都会通过。地址识别模块是一个有两个状态的有限状态机，分为地址和数据两个状态。其状态迁移图如图5所示。状态说明如下：

地址状态：在此状态时，判断接收到的数据以及地址识别使能位。如果地址识别功能没有打开，对于接收的任何地址，都进入数据状态。如果地址识别功能打开，则将收到的地址和本地地址比较，如果相等，则保存此地址，进入数据状态；否则继续在此状态接收数据和地址，将收到的数据忽略。

数据状态：将接收到的数据输出，

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