【文章內(nèi)容簡介】 ”確定。 在數(shù)據(jù)輸出過程中， CPU 把要輸出的數(shù)據(jù)（并行地）送入“數(shù)據(jù)輸出寄存器”，“數(shù)據(jù)輸出寄存器”的內(nèi)容被傳輸?shù)健鞍l(fā) 送移位寄存器”，然后由“發(fā)送移位寄存器”通過移位操作，把數(shù)據(jù)一位一位地送到外設(shè)。“發(fā)送移位寄存器”的移位速度有“發(fā)送時鐘”確定。 “控制寄存器”用來保存與此接口有關(guān)的控制信息，這些控制信息決定接口的工作方式。 CPU 可以通過修改“控制寄存器”的內(nèi)容來控制串行通信接口的工作方式。 “狀態(tài)寄存器”的各位稱為“狀態(tài)位”，每一個狀態(tài)位都可以用來指示數(shù)據(jù)傳輸過程中的狀態(tài)或某種錯誤。例如，用狀態(tài)寄存器 D5位為“ 1”表示“數(shù)據(jù)輸出寄存器空”，用 D0位表示“數(shù)據(jù)輸入寄存器滿”，用 D2位表示“奇偶檢驗(yàn)錯”等 UART 通信協(xié)議 在異步通信中，是以字符為單位傳送數(shù)據(jù)，是從低位到高位逐位傳送，一個字符表示一幀信息。串行異步通信協(xié)議中字符代碼傳輸格式如圖 所示，通常 UART 的一幀西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 11 數(shù)據(jù)由四部分組成：一個起始位 S（一般邏輯為“ 0”），后面是數(shù)據(jù)長度可變的數(shù)據(jù)位D0~D7(一般為 6 位到 8 位之間可變，數(shù)據(jù)的低位在前 )，一個可選的校驗(yàn)位 PB（可選奇校驗(yàn)、偶檢驗(yàn)或不需要檢驗(yàn)），隨后是一定長度的停止位 P（可選 1 位、 位、或 2 位） ,停止位必須為邏輯“ 1”。在沒有數(shù)據(jù)被傳輸時，數(shù)據(jù)線會一直處于邏輯“ 1”狀態(tài)。 圖 23 UART 的字符幀格式 a，起始位：它是數(shù)據(jù)采樣的第一個點(diǎn)，當(dāng)接收模塊檢測串行輸入數(shù)據(jù)管腳上的電平從“ 1”到“ 0”的跳變來確定一個 UART 包的起始位。 起始位檢測 8 個連續(xù)脈沖的另一個更重要的原因是，采用 16 倍頻采樣的時鐘，第 8 個采樣脈沖所對應(yīng)的數(shù)據(jù)波形正好是該位數(shù)據(jù)位波形的正中點(diǎn) (以時鐘上升沿采樣 )，在該處讀寫數(shù)據(jù)應(yīng)該是最安全點(diǎn)。 b，數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會是 8 位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是 7 和 8 位。如何設(shè)置取決于你想傳 送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的 ASCII 碼是 0～ 127（ 7 位）。擴(kuò)展的 ASCII 碼是 0～ 255（ 8 位）。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本（標(biāo)準(zhǔn) ASCII 碼），那么每個數(shù)據(jù)包使用 7 位數(shù)據(jù)。每個包是指一個字節(jié)，包括開始 /停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語 “包 ”指任何通信的情況。 c，奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒有校驗(yàn)位也是可以的。對于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶 數(shù) 個或者奇 數(shù) 個邏輯高位。例 如，如果數(shù)據(jù)是 011，那么對于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為 0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位 1，這樣就有 3 個邏輯高位。高位和低位不 為 真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機(jī)會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。 d，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為 1， 和 2 位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時鐘 同步的機(jī)會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。 S D0+0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PB P 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 12 在 UART 協(xié)議中，數(shù)據(jù)的發(fā)送者與接收者不共享時鐘信號，也就是說，在一次 UART通信過程中，并沒有一個時鐘信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?，因此，這個協(xié)議被稱為異步方式。 由于沒有共享時鐘信號，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，收發(fā)雙方必須協(xié)商好一個數(shù)據(jù) 傳輸?shù)牟ㄌ芈?，也就是說， UART 接收端應(yīng)該知道發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率（相應(yīng)的發(fā)送端也需要知道接收端的波特率）。在大多數(shù)情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)的波特率是相同的。 UART 發(fā)送端按照低位 在前，高位在后的順序移位輸出數(shù)據(jù)。一旦在初始化過程中，雙方協(xié)商好了通信的波特率，收發(fā)雙方的內(nèi)部時鐘都設(shè)定在同一波特率（但時鐘的相位不同）。在一個 UART 包傳輸開始，接收端將它的內(nèi)部時鐘調(diào)整到與發(fā)送端同步。這樣接收端就可以在每一位的中心位置對數(shù)據(jù)位進(jìn)行采樣，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)以 FPGA 為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)異步通信，而 UART 模塊就為本設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在，如圖 所示，該模塊主要有串行發(fā)送器、接收器以及波特率發(fā)生器三個模塊組成。 波特率發(fā)生器模塊：在異步通信中，發(fā)送方和接受方必須保持相同的 波特率才能實(shí)現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)傳送。在本設(shè)計(jì)中，由于 RS232C 傳輸必定是工作在某種波特率下，為了便于和 RS232C 總線進(jìn)行同步，需要產(chǎn)生符合 RS232C 傳輸波特率的時鐘。 圖 24 UART 系統(tǒng)框圖 本設(shè)計(jì)完整的工作流程可以間單的分為數(shù)據(jù)接收過程和發(fā)送過程兩部分。 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 13 接收過程：當(dāng) UART 模塊檢測到有新數(shù)據(jù)（ RS232C 總線傳輸線的起始位）就會觸發(fā)接收流程。首先 UART 模塊內(nèi)部會重置波特率發(fā)生器和移位寄存器，控制邏輯使移位寄存器的工作模式為波特率模式，以準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接收，其次移位寄存器在波特率時鐘的驅(qū)動下工 作，不斷的讀取 RS232C 串行總線上的輸入數(shù)據(jù)，一位一位的接收，并且將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。然后在進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，在通過 CPU 內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳送到數(shù)據(jù) I/O 緩存器，最后被 CPU 內(nèi)部采用。 發(fā)送過程：當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)出去時，先把要發(fā)送的 CPU 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù) I/O 緩存器，傳送到數(shù)據(jù)寄存器，然后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。 UART 模塊內(nèi)部會重置波特率發(fā)生器控制邏輯控制移位寄存器進(jìn)入 RS232C 串行發(fā)送的協(xié)議模式，并且使移位寄存器工作在波特率模式下，于是移位寄存器便在波特率時鐘的驅(qū)動下依次將數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)一位一位發(fā)送到 RS232C 的發(fā)送端 TXD，這樣就產(chǎn)生了 RS232C 的數(shù)據(jù)發(fā)送時序。 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 14 第三章 UART 系統(tǒng)設(shè)計(jì) UART 簡介 UART 是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計(jì)中， UART 用來與 PC 進(jìn)行通信，包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件 因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)，不能直接直接把數(shù)據(jù)發(fā)到 Modem,必須經(jīng)過 UART 整理才能進(jìn)行異步傳輸，其過程為： CPU 先把準(zhǔn)備寫入串行設(shè)備點(diǎn)的數(shù)據(jù)放到 UART 寄存器（臨時內(nèi)存塊）中，再通過 FIFO（ First Input First Output,先入先出列隊(duì)）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(jì)算機(jī)與串行設(shè)備的芯片。有一點(diǎn)要注意的是，它提供了 RS232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計(jì)算機(jī)就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用 RS232C 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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(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(yàn)位，并對從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。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）。可以處理計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備的同步管理問題。 一般而言 UART 和外界通信只需要兩條信號線 RXD 和 TXD，其中 RXD 是 UART的接收端， TXD 是 UART 的發(fā)送端，接收與發(fā)送是全雙工形式。由于可編程邏輯器件技術(shù)的快速發(fā)展， FPGA 的功能日益強(qiáng)大，其開發(fā)周期短、可重復(fù)編程的優(yōu)點(diǎn)也越來越明顯，本設(shè)計(jì)就是 在 FPGA 芯片上集成 UART 功能模塊并和其他模塊組合 來 實(shí)現(xiàn)一個能與其他設(shè)備進(jìn)行串行通信的片上系統(tǒng)。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件電路圖如圖 所示。 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 15 圖 31 系統(tǒng)硬件電路圖 模塊名稱： uart_test 功能描述： uart 的測試頂層模塊 module uart_test( sys_clk, //系統(tǒng)時鐘 uart_dataH, uart_xmitH //uart 接收與發(fā)送引腳 )。 input sys_clk。 //系統(tǒng)時鐘 (48MHz) input uart_dataH。 //uart 接收引腳 RXD output uart_xmitH。 //uart 發(fā)送引腳 TXD reg[7:0] senddata。 //發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)緩存區(qū) reg WR_R1,WR_R2,WR_R3。 //控制產(chǎn)生一個發(fā)送的寫信號 wire [7:0]recdata。 //接收緩存區(qū) wire RI,TI,WR。 //接收、發(fā)送中斷以及寫控制信號 wire clksend,clkrec。 //發(fā)送和接收的時鐘頻率 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 16 always@(posedge clksend) //通過 RI 接收中斷產(chǎn)生一個寫信號，維持時間為 1 個 Clk begin WR_R1 = RI。 WR_R2 = WR_R1。 WR_R3 = WR_R2。 end assign WR = (~WR_R3)amp。(WR_R2)amp。(WR_R1)。 //控制寫信號 always@(posedge RI) //當(dāng)接收了一個數(shù)據(jù)后 ， 把數(shù)據(jù)加 1 后發(fā)回 PC 機(jī) ,注意串口一個一個數(shù)據(jù)發(fā) begin senddata = recdata+839。d1。 end rec uart_rec( //調(diào)用一個 uart 接收模塊 sys_rst_1(sys_rst_1), sys_clk(uart_clk), uart_dataH(uart_REC_dataH), rec_dataH(rec_dataH), rec_readyH(rec_readyH), )。 send uart_xmit( //調(diào)用一個 uart 的發(fā)送模塊 sys_rst_1(sys_rst_1), sys_clk(uart_clk), uart_xmitH(uart_XMIT_dataH), ximtH(xmit_start_pulseH), xmit_dataH(reg_xmit_data), xmit_doneH(xmit_doneH) )。 Baud ( //調(diào)用波特率變換器 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 17 sys_clk(uart_clk), sys_rst_1(sys_rst_1), baud_clk(uart_clk), baud_rate_div(baud_rate_div) )。 endmodule 接收模塊功能設(shè)計(jì)描述 接受模塊的主要功能是檢測起始位 S，對隨后的位流解串行化，檢測停止位 PB，并將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 CPU 讀取。 圖 顯示了接受模塊的功能框圖，包括控制狀態(tài)機(jī)、解串行化器和相關(guān)邏輯。本設(shè)計(jì)僅包括最基本的功能，沒有錯誤檢測邏輯。 圖 32 接收模塊功能圖 Uart_clk 的頻率為波特率的 16 倍，它是由波特率變換模塊產(chǎn)生的。這個時鐘信號用來驅(qū)動接收模塊中的所有時鐘。 Uart_dataH 是一個輸入信號（就是 RXD） ,它在送入解串行 化器之前要經(jīng)過兩級同步器。注意：由于 Uart_dataH 上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是與發(fā)送端的時鐘信號是同步的，而不是與接收端的時鐘信號同步的，因此這個兩級同步器是必不可少的。 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 18 解串行化器是一個簡單的串并轉(zhuǎn)換移位寄存器。它有一個來自狀態(tài)機(jī)的輸入 shiftH。當(dāng)這個信號為有效（高電平）時解串行化器進(jìn)行一次移位。移位寄存器的默認(rèn)寬度為 8位，需要主要的數(shù)據(jù)的低位先被移入。 已接收位計(jì)數(shù)器用來跟蹤記錄累計(jì)接收到的數(shù)據(jù)位的數(shù)目。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到預(yù)先設(shè)定的值（ word_len）時，狀態(tài)機(jī)停止接收數(shù)據(jù)。計(jì)數(shù)器有兩個控制輸入端： countH 和rstcountH。當(dāng) countH 有效（高電平）時，計(jì)數(shù)器加 1；當(dāng) rstcountH 有效（高電平）時，計(jì)數(shù)器清零。它是一個同步計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的默認(rèn)寬度為 4 位。 位元計(jì)數(shù)器的作用是在 uart_clk 中產(chǎn)生一個延時（波特率周期 /16），這是一個由tr_resetH 信號控制的加計(jì)數(shù)器