现代电子技术 李彧 于宏毅 王大鸣 顾雪琳

        摘　要：提出了一种ARM＋FPGA结构系统中简化UART功能的FPGA实现方法，使用了状态机来描述接收器和发送器的基本功能，最后分别给出了一个串行数据帧长度的接收和发送的仿真结果。

        关键词：FPGA；UART；状态机；ARM

    1　引　言

        在ARM＋FPGA系统结构中，实现基于ARM的嵌入式处理器和FPGA之间通信最简单的方法就是通过异步串行接口EIARS232C。考虑选用集成有UART(Universal Asynchronous Receiver / Transmitter )控制器的嵌入式处理器(例如，EP7312)，那么嵌入式处理器一侧就具有了利用异步串行接口收、发通信的能力。然而，FPGA内部并不拥有CPU控制单元，无法处理由UART控制器产生的中断，所以FPGA一侧不能利用现成的UART控制器构成异步串行接口，必须将UART控制器的功能集成到FPGA内部。

        同一个系统中的ARM与FPGA之间属于短距离通信连接，他们之间的异步串行通信并不需要完整的UART功能，那些RS232标准中的联络控制信号线可以省略，仅仅保留收、发数据线和地线，这样给UART功能的FPGA编程实现带来了极大的省略。嵌入式处理器EP7312带有2个支持异步串行通信RS232的16550类型的UART，UART1不仅有TX，RX，而且支持Modem控制信号，UART2只有标准的TX，RX以及地信号，刚好能够利用UART2与FPGA实现通 信。图1是简化的异步串行通信连接示意图。

    2　简化UART功能的FPGA实现

        本文将详细地讨论简化UART功能在FPGA中的实现方法。简单回顾一下异步串行通信的数据格式。图2表明在异步传送中串行发送一个数据字节的位定时关系(图中没有包括奇偶校验位)。发送一个完整的字节信息，首先是一个作为起始位的逻辑“0”位，接着是8个数据位，然后是1个、1＋1/2个或2个停止位逻辑“1”位，数据线空闲时呈现为高或“1”状态。在字符的8位数据部分，先发送数据的最低位，最后发送最高位。每位持续的时间是固定的，由发送器本地时钟控制，每秒发送的数据位个数，即为“波特率”。起始位和停止位起着很重要的作用。显然，他们标志每个字符的开始和结束，但更重要的是他们使接收器能把他的局部时钟与每个新开始接收的字符再同步。异步通信没有可参照的时钟信号，发送器随时都可能发送数据，任何时沿的出现时间，从而正确地采样紧接着的10～11位(包括开始位、数据位和停止位)。接收器的时钟与发送器的时钟不是同一个，因此，接收器采样点的间隔跟由发送器时钟所确定的位间隔时间不同，接收器一定不能让他的相对时钟速度导致采样错误。

        比较而言，UART发送器部分发送串行数据过程的实现相对容易，只要对发送出去的数据电平做持续时间的定时即可。下面先对UART接收器部分的FPGA实现方法做详细的描述。

    2．1　UART接收器的FPGA实现

        根据以上的叙述，由于串行数据帧与接收时钟是异步的，所以接收器功能实现中的关键是接收器时钟与每个接收字符的同步。一个有效的方法是接收器采用高速率时钟对串行数据进行采样，通常采样频率是位时钟频率的整数倍。理论上倍数越高接收数据各位的分辨率越高，实际中，一般最大选择16倍。

        接收器应该尽可能地在靠近位周期的中心处对每位采样。如果接收器能很好地预测起始位的开始，那么他可在起始位的下降沿到来之后，等待半个位周期再采样数据位。此后，接收器每等待一个位周期采样一个数据位，直至收到最后一位为止。倘若接收时钟的频率足够接近发送时钟，使得最后位能在离该位的精确中心位置半个周期内对他采样，以上方案就能正确地工作。这意味着接收时钟相对于发送时钟在10～11个时钟周期内，其增加和减少应小于半个位的时间间隔。因此，要求收发双方2个时钟的误差容限在5％以内。