【正文】 四川師范大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計基于FPGA的UART設(shè)計學(xué)生姓名院系名稱專業(yè)名稱班 級學(xué) 號指導(dǎo)教師完成時間基于FPGA的UART設(shè)計電子信息工程專業(yè)摘要：UART(通用異步收發(fā)器)是一種應(yīng)用廣泛，協(xié)議簡單，易于調(diào)試的串行傳輸接口。FPGA是能高密度，低消耗完成所需要的邏輯功能的一種在線可編程器件，是現(xiàn)在業(yè)內(nèi)提高系統(tǒng)集成度最佳技術(shù)之一，其可反復(fù)配置，且使用靈活。VHDL是描述電路功能或行為的一種硬件語言。本文首先闡述了運用FPGA實現(xiàn)UART接口的意義。接著介紹了UART的波特率發(fā)生器，發(fā)送功能和接收三大核心功能的理論知識。FPGA的工作原理，配置模式以及VHDL語言實現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的相關(guān)理論基礎(chǔ)。給出了運用VHDL語言將UART三大功能嵌入在FPGA上的模塊化設(shè)計方法。設(shè)計包括四大模塊：頂層模塊，波特率發(fā)生器，UART接收器，UART發(fā)生器。在FPGA片上集成UART主要功能，減少了電路板體積，同時電路也增加了可移植和反復(fù)配置功能，有效提高了電路的集成度和靈活性。最后運用Quartus ii 。關(guān)鍵詞：FPGA UART VHDL 有限狀態(tài)機(jī)The Design of Universal Asynchronous Receiver Transmitter Based on FPGAAbstract：UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) is a widely used, simple protocol, easy to debug serial transmission interface. FPGA is capable of highdensity, lowcost needed to plete a line of programmable logic devices, is now one of the industry39。s best technologies to improve system integration, which can be repeated to configure and use and flexible. VHDL description of the circuit function or behavior is a hardware language. This paper first describes the use of FPGA to realize the significance of the UART interface. Then introduced the theory of knowledge UART baud rate generator, sending and receiving three core functions. FPGA works, configuration mode and the VHDLbased state machine theory. Gives the UART using VHDL language to three functions embedded in the FPGA design. Design includes four modules: the toplevel module, baud rate generator, UART receivers, UART generator. Integrated onchip UART FPGA basic functions, reducing board space, the circuit also increases the portability and repeated configuration capabilities, improve the integration and flexibility of the circuit. Finally, the use of Quartus ii implements its functional simulation.Key Words：FPGA 。UART 。VHDL。FSMII 目 錄摘要： IAbstract： II1 緒論 1 課題背景 1 課題研究現(xiàn)狀 2 課題研究內(nèi)容與主要工作 3 課題內(nèi)容結(jié)構(gòu) 32 UART理論基礎(chǔ) 4 接口技術(shù)簡介 4 UART基本結(jié)構(gòu) 4 UART數(shù)據(jù)幀格式 5 涉及到的理論計算 63 設(shè)計工具 7 課題硬件平臺——FPGA 7 設(shè)計工具QuartusII簡介與使用 7 VHDL語言簡介 74 UART實現(xiàn)方案 8 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 8 頂層模塊設(shè)計 8 波特率發(fā)生模塊設(shè)計 9 接收模塊 10 發(fā)送模塊設(shè)計 125 UART設(shè)計的仿真與驗證 15 15 接收模塊仿真 15 發(fā)送模塊仿真 166 總結(jié) 17參考文獻(xiàn) 18致謝 19附錄 20I 基于FPGA的UART設(shè)計1 緒論在計算機(jī)的數(shù)據(jù)通信中，外設(shè)一般不能與計算機(jī)直接相連，它們之間的信息交換主要存在以下問題：(1)速度不匹配。外設(shè)的工作速度和計算機(jī)的工作速度不一樣，而且外設(shè)之間的工作速度差異也比較大。(2)數(shù)據(jù)格式不匹配。不同的外設(shè)在進(jìn)行信息存儲和處理時的數(shù)據(jù)格式可能不同，例如最基本的數(shù)據(jù)格式可分為并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)。(3)信息類型不匹配。不同的外設(shè)可能采用不同類型的型號，有些是模擬信號，有些是數(shù)字信號，因此采用的處理方式也不同。為了解決外設(shè)和計算機(jī)之間的信息交換問題，即需要設(shè)計一個信息交換的中間環(huán)節(jié)——接口。對于臺式電腦、個人筆記本，最常用的接口就是USB接口、串口、并口、PS2接口、網(wǎng)口。在我們電子設(shè)計中的PC終端軟件的通信，應(yīng)用最多的就是串口、其次是USB接口、再就是網(wǎng)口。 課題背景電子產(chǎn)品中，很多低速的數(shù)據(jù)采集，一些點陣系統(tǒng)的配置，GPRS模塊的調(diào)試等，都用串口來實現(xiàn)跟PC的通信。甚至一些單片機(jī)的配置都用串口實現(xiàn)通信。串口最高可以達(dá)到128000bps的速率，在低速場合下，完全能夠?qū)崿F(xiàn)與PC的通信，來滿足我們各種要求，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時處理。目前的串行通信常用UART實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換或并/串轉(zhuǎn)換。 UART（通用異步收發(fā)器）是一種串行通信協(xié)議，主要用于短距離，低速率，低成本的數(shù)據(jù)的計算機(jī)和外設(shè)之間的交流。是電腦硬件的一部分，具體實物表現(xiàn)為一塊并行輸入成為串行輸出的模塊化芯片。8250、825NS16450等芯片都是常見的UART器件。UART主要功能實現(xiàn)通信中的數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換，且能奇偶檢驗。將計算機(jī)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流加入奇偶校驗位后輸出?；蛘邔⒂嬎銠C(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)奇偶校驗后轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。它的異步模式使芯片適應(yīng)性強(qiáng)，對時鐘精度要求低(成本低)。隨著FPGA的廣泛應(yīng)用，經(jīng)常需要FPGA與其他數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行串行通信，專用的UART集成電路如8250,8251等是比較復(fù)雜的，因為專用的UART集成電路既要考慮異步的收發(fā)功能，又要兼容RS232接口設(shè)計，在實際應(yīng)用中，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。如果設(shè)計上用到FPGA /CPLD器件，可以將所需要的UART功能集成到FPGA內(nèi)部，實現(xiàn)FPGA與其他數(shù)字系統(tǒng)的直接通信，從而簡化了整個系統(tǒng)電路，提高了可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。 課題研究現(xiàn)狀 UART芯片發(fā)展與現(xiàn)狀UART產(chǎn)生于上個世紀(jì)70年代，是第一塊大規(guī)模集成電路。1981年的推出的IBM PC機(jī)主板上采用了8250 UART與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。直到上個世紀(jì)末，UART一直是PC中最主要的串行通信接口。在嵌入式領(lǐng)域，由于UART具有操作簡單、工作可靠、抗干擾強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)（組成485網(wǎng)絡(luò)可以傳輸1,200米以上），設(shè)計人員普遍認(rèn)為UART是從CPU或微控制器向系統(tǒng)的其他部分傳輸數(shù)據(jù)的最佳方式，因此它們被大量地應(yīng)用在工業(yè)、通信和家電控制等嵌入式領(lǐng)域。然而UART的速度、靈活性(軟件可配置)和體積越來越不能滿足開發(fā)者需要，隨著高速串行總線USB的出現(xiàn)，現(xiàn)在越來越多的筆記本電腦上已經(jīng)取消了UART串口。截止到目前，全球范圍內(nèi)有超過40種UART器件可以選擇，大多數(shù)UART器件是以計算機(jī)總線轉(zhuǎn)換UART為應(yīng)用基礎(chǔ)的，與20多年的前的UART相比，現(xiàn)在芯片的管腳，寄存器及大體操作幾乎沒有改變。 FPGA芯片發(fā)展與現(xiàn)狀FPGA由早期的PLD(可編程邏輯器件)、PLA（可編程邏輯陣列）、PAL（可編程陣列邏輯）逐漸發(fā)展為如今Altera的CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）和Xilinx的FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）。PLD（可編程邏輯器件）是70年代發(fā)展起來的新型邏輯器件。PLD是為彌補(bǔ)當(dāng)時的ASIC(專業(yè)集成電路)可靠性低、成本高、功耗大且設(shè)計周期長等不足而發(fā)展起來的。PLA（可編程邏輯陣列）基本