用FPGA/CPLD设计UART

摘 要 ：UART是广泛使用的串行数据通讯电路。本设计包含UART发送器、接收器和波特率发生器。设计应用EDA技术，基于FPGA/CPLD器件设计与实现UART。

关键词 ：FPGA/CPLD；UART；VHDL

UART（即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用异步收发器）是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。
--- 串行外设用到RS232-C异步串行接口，一般采用专用的集成电路即UART实现。如8250、8251、NS16450等芯片都是常见的UART器件，这类芯片已经相当复杂，有的含有许多辅助的模块（如FIFO），有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。或者设计上用到了FPGA/CPLD器件，那么我们就可以将所需要的UART功能集成到FPGA内部。使用VHDL将UART的核心功能集成，从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。本文应用EDA技术，基于FPGA/CPLD器件设计与实现UART。

一 UART简介

1 UART结构
--- UART主要有由数据总线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送部分和接收部分等组成。
--- 功能包括微处理器接口，发送缓冲器（tbr）、发送移位寄存器（tsr）、帧产生、奇偶校验、并转串、数据接收缓冲器（rbr）、接收移位寄存器（rsr）、帧产生、奇偶校验、串转并。
--- 图1是UART的典型应用。

2 UART的帧格式
--- UART的帧格式如图2所示。

--- 包括线路空闲状态（idle，高电平）、起始位(start bit，低电平)、5～8位数据位(data bits)、校验位(parity bit，可选)和停止位(stop bit，位数可为1、1.5、2位)。
--- 这种格式是由起始位和停止位来实现字符的同步。
--- UART内部一般有配置寄存器，可以配置数据位数（5～8位）、是否有校验位和校验的类型、停止位的位数（1，1.5，2）等设置。

二 UART的设计与实现

1 UART发送器

--- 发送器每隔16个CLK16时钟周期输出1位，次序遵循1位起始位、8位数据位（假定数据位为8位）、1位校验位（可选）、1位停止位。
--- CPU何时可以往发送缓冲器tbr写入数据，也就是说CPU要写数据到tbr时必须判断当前是否可写，如果不判这个条件，发送的数据会出错。
--- 数据的发送是由微处理器控制，微处理器给出wen信号，发送器根据此信号将并行数据din[7..0]锁存进发送缓冲器tbr[7..0]，并通过发送移位寄存器tsr[7..0]发送串行数据至串行数据输出端dout。在数据发送过程中用输出信号tre作为标志信号，当一帧数据发送完毕时，tre信号为1，通知CPU在下个时钟装入新数据。
--- 发送器端口信号如图3所示。

--- 引入发送字符长度和发送次序计数器length_no，实现的部分VHDL程序如下。

--- if std_logic_vector(length_no) = “0001” then
--- tsr <= tbr ; --发送缓冲器tbr数据进入发送移位寄存器tsr
--- tre <= '0' ; --发送移位寄存器空标志置“0”
--- elsif std_logic_vector(length_no) = “0010” then
--- dout <= '0' ; --发送起始位信号“0”
--- elsif std_logic_vector(length_no) >= “0011” and std_logic_vector(length_no) <= “1010” then
--- tsr <= '0' & tsr(7 downto 1); --从低位到高位进行移位输出至串行输出端dout
--- dout <= tsr(0) ;
--- parity <= parity xor tsr(0) ; --奇偶校验
--- elsif std_logic_vector(length_no) = “1011” then
--- dout <= parity ; 校验位输出
--- elsif std_logic_vector(length_no) = “1100” then
--- dout <= '1' ; --停止位输出
--- tre <= '1' ; --发送完毕标志置“1”
--- end if ;

--- 发送器仿真波形如图4所示。

2 UART接收器

--- 串行数据帧和接收时钟是异步的，发送来的数据由逻辑1变为逻辑0可以视为一个数据帧的开始。接收器先要捕捉起始位，确定rxd输入由1到0，逻辑0要8个CLK16时钟周期，才是正常的起始位，然后在每隔16个CLK16时钟周期采样接收数据，移位输入接收移位寄存器rsr，最后输出数据dout。还要输出一个数据接收标志信号标志数据接收完。
--- 接收器的端口信号如图5所示。

--- 实现的部分VHDL程序如下。

--- elsif clk1x'event and clk1x = '1' then
--- if std_logic_vector(length_no) >= “0001” and std_logic_vector(length_no) <= “1001” then
--- --数据帧数据由接收串行数据端移位入接收移位寄存器
--- rsr(0) <= rxda ;
--- rsr(7 downto 1) <= rsr(6 downto 0) ;
--- parity <= parity xor rsr(7) ;
--- elsif std_logic_vector(length_no) = “1010” then
--- rbr <= rsr ; --接收移位寄存器数据进入接收缓冲器
--- ......
--- end if ;

--- 接收器仿真波形如图6所示。

3 波特率发生器

--- UART的接收和发送是按照相同的波特率进行收发的。波特率发生器产生的时钟频率不是波特率时钟频率，而是波特率时钟频率的16倍，目的是为在接收时进行精确地采样，以提出异步的串行数据。
--- 根据给定的晶振时钟和要求的波特率算出波特率分频数。
--- 波特率发生器仿真波形如图7所示。

三 小结

--- 通过波特率发生器、发送器和接收器模块的设计与仿真，能较容易地实现通用异步收发器总模块，对于收发的数据帧和发生的波特率时钟频率能较灵活地改变，而且硬件实现不需要很多资源，尤其能较灵活地嵌入到FPGA/CPLD的开发中。在EDA技术平台上进行设计、仿真与实现具有较好的优越性。