用FPGA/CPLD设计UART

文章摘要：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（

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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

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