使用FPGA和模块化设计方法实现UART的设计论文

　　UART作为RS232协议的控制接口得到了广泛的应用，将UART的功能集成到FPGA芯片中，可使整个系统更为灵活、紧凑，减小整个电路的体积，提高系统的可靠性和稳定性。提出了一种基于FPGA的UART的实现方法，具体描述了发送、接收等模块的设计，恰当使用了有限状态机，实现了FPGA上的UART的设计，给出仿真结果。

　　FPGA介绍

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

　　FPGA主要特点：

　　1）采用FPGA设计ASIC电路（专用集成电路），用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

　　2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

　　3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。

　　4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

　　5） FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

　　可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

　　FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

　　加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

　　1.2 UART简介

　　通用异步收发器（UART）是一种短距离串行通信接口，主要用于计算机、微处理器与小型通信网络之间的短距离通信。目前通信接口技术已发展成为硬件和软件相结合的综合性技术，在嵌入式系统设计中，异步串行通信接口已成为必不可少的一部分。随着FPGA技术和嵌入式系统的发展，在单芯片上可以实现多种功能，虽然目前许多器件已经把UART集成在内，但是要求用单一芯片实现处理器和控制器等复杂功能，同时需要串行通信场合，采用高密度、大容量FPGA器件来设计UART具有很高的实用价值。

　　计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为：CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO（First Input First Output，先入先出队列）传送到串行设备，若是没有FIFO，信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem。

　　它是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C数

　　据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。作为接口的一部分，UART还提供以下功能：将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠标也是串行设备）。可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区，比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。如果您购买一个内置的调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550 UART。