使用FPGA和模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)UART的設(shè)計論文

　　UART作為RS232協(xié)議的控制接口得到了廣泛的應(yīng)用，將UART的功能集成到FPGA芯片中，可使整個系統(tǒng)更為靈活、緊湊，減小整個電路的體積，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。提出了一種基于FPGA的UART的實現(xiàn)方法，具體描述了發(fā)送、接收等模塊的設(shè)計，恰當(dāng)使用了有限狀態(tài)機，實現(xiàn)了FPGA上的UART的設(shè)計，給出仿真結(jié)果。

　　FPGA介紹

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

　　FPGA主要特點：

　　1）采用FPGA設(shè)計ASIC電路（專用集成電路），用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。

　　2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

　　3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

　　4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。

　　5） FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

　　可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。

　　FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

　　加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

　　1.2 UART簡介

　　通用異步收發(fā)器（UART）是一種短距離串行通信接口，主要用于計算機、微處理器與小型通信網(wǎng)絡(luò)之間的短距離通信。目前通信接口技術(shù)已發(fā)展成為硬件和軟件相結(jié)合的綜合性技術(shù)，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，異步串行通信接口已成為必不可少的一部分。隨著FPGA技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，在單芯片上可以實現(xiàn)多種功能，雖然目前許多器件已經(jīng)把UART集成在內(nèi)，但是要求用單一芯片實現(xiàn)處理器和控制器等復(fù)雜功能，同時需要串行通信場合，采用高密度、大容量FPGA器件來設(shè)計UART具有很高的實用價值。

　　計算機內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到Modem，必須經(jīng)過UART整理才能進行異步傳輸，其過程為：CPU先把準(zhǔn)備寫入串行設(shè)備的數(shù)據(jù)放到UART的寄存器（臨時內(nèi)存塊）中，再通過FIFO（First Input First Output，先入先出隊列）傳送到串行設(shè)備，若是沒有FIFO，信息將變得雜亂無章，不可能傳送到Modem。

　　它是用于控制計算機與串行設(shè)備的芯片。有一點要注意的是，它提供了RS-232C數(shù)

　　據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計算機就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設(shè)備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：將由計算機內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流。將計算機外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計算機內(nèi)部并行數(shù)據(jù)的器件使用。在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進行奇偶校驗。在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟停標(biāo)記。處理由鍵盤或鼠標(biāo)發(fā)出的中斷信號（鍵盤和鼠標(biāo)也是串行設(shè)備）?？梢蕴幚碛嬎銠C與外部串行設(shè)備的同步管理問題。有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，比較新的UART是16550，它可以在計算機需要處理數(shù)據(jù)前在其緩沖區(qū)內(nèi)存儲16字節(jié)數(shù)據(jù)，而通常的UART是8250。如果您購買一個內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器，此調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部通常就會有16550 UART。