本科毕业论文微电子学.docx
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1、本科毕业论文微电子学四川大学本科毕业论文 UART接口设计及验证 UART接口设计及FPGA验证 The Design of UART Interface and FPGA Verification 专业:微电子一班 学生:熊 涛 指导教师:王 勇,高 博 摘 要:随着电子技术的发展,以及数据传送的需要,通用异步接收/发送器已成为MCU、CPU、DSP等的基本配置,应用广泛。UART数据通过串行输入、输出,不同装置间通信不需要传送时钟信号,避免了同步传送的时序处理问题,数据线引脚较少,避免了信号间的相互干扰,是未来数据传送的发展方向。本文主要讨论如何应用Verilog HDL语言,基于FPGA
2、器件实现可复用的UART IP Core。通过修改配置文件,用户可以根据需要设置相应的参数,以实现相应功能的UART器件。本设计模块主要包括UART发送器、接收器、波特率发生器,以及总线接口控制逻辑。设计通过Xilinx公司的Spartan3系列器件XC3S400 FPGA进行功能验证。 关键词:UART、IP核、发送器、接收器、波特率发生器、Verilog HDL Abstract: With the development of electronic technology, as the need of data transmitter, the Universal Asynchronou
3、s Receiver/Transmitter (UART) now is the basic component of MCU, CPU, DSP , etc. By series data input/output, there is no need to send clock signal when communication between different equipments, avoiding timing synchronous problem, and the data pin is only one, avoid the disturb among the signals
4、in parallel communication. So, series data transmitting is the development direction in future. This paper focuses on how to use Verilog HDL to carry out reusable UART IP Core, based on FPGA. By modifying the configuration documents, the user can design different UART component. The design is made u
5、p of these modules, such as Transmitter, Receiver, Bade_rate generator, and the Bus interface mastering logic. When validating the design, we use XC3S400 FPGA of Xilinx CO.,LTDs Spartan-3 spectrum. Key Words: UART , IP Core,Transmitter, Receiver, Verilog HDL i 四川大学本科毕业论文 UART接口设计及验证 目录 第一章 引言1 第二章 U
6、ART的协议.2 2.1 异步通信2 2.2串行通信的过程及通信协议.3 2.2.1串并转换与设备同步.3 2.2.2串行通信协议3 2.3 UART的典型应用.5 2.4 UART的时钟控制.6 2.5 UART的数据采样.6 第三章 UART的硬件设计.7 3.1 UART总体构架.7 3.1.1 UART结构.7 3.1.2 UART的帧格式.7 3.1.3 UART 的设计规格8 3.2 串行数据发送模块 11 3.2.1 发送顶层模块. 11 3.2.2 取数控制. 12 3.2.3 发送状态机. 13 3.2.4 EDA工具验证 14 3.3 串行数据接收模块 15 3.3.1 接
7、收顶层模块. 15 3.3.2 数据同步装置. 15 3.3.3 数据抽样装置. 16 3.3.4 接收状态机. 17 3.3.5 EDA工具验证.18 3.4 波特率发生器 18 3.4.1 波特率发生器概述18 3.4.2 EDA工具验证19 3.5 总线接口控制模块. 19 3.5.1 接口功能描述20 3.5.2 EDA综合结果.21 ii 四川大学本科毕业论文 UART接口设计及验证 第四章 UART的FPGA验证.22 4.1 Xilinx Spartan-3 系列器件介绍. 22 4.2 FPGA实现过程 23 第五章 结论26 致谢27 参考文献28 外文译文29 翻译原文35
8、 iii 四川大学本科毕业论文 UART接口设计及验证 第一章 引 言 目前,基于传统IC芯片的微电子应用系统设计技术正在转向基于知识产权核的片上系统技术发展。IC设计在国内外的发展很快,各种规模的IC设计中心和公司不断出现。因此,IP核的设计已开始逐渐成为国内微电子系统设计的一项支撑技术。从应用功能角度划分,IP核分为两大类:微处理器IP核和各种接口IP核。其中,接口IP核在数字通信系统中有着广泛的应用。 设备间的通信方式,可分为并行和串行两种。在相同频率下,并行总线优于串行总线。随着并行总线的数据传输率越来越高,传统的并行接口逐渐暴露出一些信号传输上的缺陷,其中最致命的莫过于信号互相干扰问
9、题。要满足高速传输的需要,要么提升它的总线频率,要么增加数据宽度。但是这两种都会导致成本的上升,并且使信号偏移和串扰更加严重。而串行技术采有极少的数据线,并使用差分信号线,在传输数据时几乎不会因为受到干扰而出错。 通用异步接收器和发送器用异步串行输入、输出进行通信。串行传输以速度为代价,换取了成本的降低和连线复杂度的降低。UART提供串行异步接收数据的同步化,发送器和接收器两个部分的并串转换和串并转换,对于串行传输系统而言,这些功能是必不可少的。串行数据流的同步化是通过给发送数据增加起始位和停止位、以形成一个数据字符而实现的。数据完整性是通过在数据字符中附加一个校验位来实现的,由接收器来检验。
10、对于主机系统,UART就像一个能读取和写入的8位输入和输出端口,任何时候,当主机要发送数据,它只需以字节格式把这些数据发送到UART;当UART从另一个串行装置接收数据时,它把这些数据临时缓存在它的FIFO中,然后通过内部寄存器位或硬件中断信号向主机指示这些数据的可用性。 随着串行通信技术的发展,新一代的串行通信接口如USB1.0,USB2.0,1394,SATA等高速串行接口逐渐成熟,串行通信的传输速度不断提升,接口技术有串行化的趋势。本课题通过对由CCITT制定的串并转换协议RS-232-C, 及其协议实现的通用器件UART的研究、实现,以期进一步了解串行通信技术,并系统学习IP Core
11、 的设计。 1 四川大学本科毕业论文 UART接口设计及验证 第二章 UART的协议 UART按照异步通信传输格式传送数据,它的传送符合通信协议的规范。以下主要介绍异步通信及通信协议,以及UART中数据传输的具体方式。 2.1 异步通信 在异步通信中,数据是一帧一帧传送的, 一帧的数据格式如下图所示。 图 2-1 异步通信的一帧数据格式 在帧格式中,一个字符由四个部分组成:起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。起始位只占用一位,通知接收设备一个待接收的字符开始到达。线路上不传送字符时应保持为1,接收端不断检测线路的状态,若连续为1后测到一个0,就表示发来一个新字符,应马上准备接收。字符的起始位还
12、被用作同步接收端的时钟,以保证以后的接收能正确进行。 起始位后面紧接着是数据位,它可以是5位、6位、7位或8位。 2 四川大学本科毕业论文 UART接口设计及验证 奇偶校验只占一位,也可以不用校验位,则这一位就可省略。也可用这一位来确定这一帧中的字符所代表信息的性质。停止位用来表征字符的结束,一定是高电位。停止位位宽可以是1位、1.5位或者2位。接收端收到停止位后,表明上一字符已传送完毕,同时,也为接收下一个字符做好准备,如果再接收到0,就是新的字符开始传送。若停止位以后不是紧接着一个字符,则使线路电平保持为高电平。 2.2 串行通信的过程及通信协议 串行通信指数据是一位一位按顺序传送的通信方
13、式。它的突出优点是只需一对传输线,这样就大大降低了传送成本,特别适用于远距离通信;其缺点是传送速度较低。串行通信的传送方向通常有三种:单工、半双工、全双工。全双工是一对单向配置,它要求两端的通信设备都具备完整和独立的发送和接收能力。本文设计的UART以全双工模式工作。 2.2.1 串并转换与设备同步 两个通信设备在串行线路上成功地实现通信必须解决两个问题:一是串并、并串转换,即如何把要发送的并行数据串行化,把接收的串行数据并行化;二是设备同步,即同步发送设备和接收设备的工作节拍,以确保发送数据在接收端被正确读出。 2.2.1.1 并串转换与串并转换 串行通信是将计算机内部的并行数据转换成串行数
14、据,然后将其通过一根通信线传送;在接收时将串行数据再转换成并行数据,再通过与主机的连接将其送到计算机中。 在计算机串行发送数据之前,计算机内部的并行数据被送到移位寄存器并一位一位地移出,将并行数据转换成串行数据。如下图所示。 8765432187654321876543并行数据2串行数据18图 2-2 发送时的并串转换 在接收数据时,来自通信线路的串行数据被送入移位寄存器,移位保存满8位后并行 3 四川大学本科毕业论文 UART接口设计及验证 送到计算机内部。 78串行数据18765432187654321654321并行数据2.2.1.2 设备同步 图 2-3 接收时的串并转换 进行串行通信
15、的两台设备必须同步工作才能有效地检测通信线路上地信号变化,从而采样传送数据脉冲。设备同步必须保证两点:一是必须采用统一的编码方法;二是通信双方必须保证相同的传送速率。 统一的编码方法确定了一个字符的位发送顺序和位串长度,以及统一的逻辑电平规定,即电平信号高低与逻辑1和逻辑0的固定对应关系。 通信双方只有保持相同的速率,才能确保设备同步,这就要求发送设备和接收设备采用相同频率的时钟。发送设备在统一的时钟脉冲上发出数据,接收设备才能正确检测出与时钟脉冲同步的数据信息。 2.2.2 串行通信协议 通信协议是对数据传送方式的规定,包括数据格式定义和数据位定义等。通信双方必须遵循统一的通信协议。串行通信
16、协议包括同步协议和异步协议。以下是异步串行通信协议和异步串行协议规定的字符数据的传送格式。 1、起始位 通信线上没有数据被传送时处于逻辑1状态。当发送设备要发送一个字符数据时,首先加入一个逻辑0的信号,这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通信线传向接收设备,接收设备检测到这个逻辑低电平后,就开始准备接受数据位信号。起始位能使设备同步,通信双方必须在传送数据位前协调同步。 4 四川大学本科毕业论文 UART接口设计及验证 2、数据位 当接收设备接收到起始位后,紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5、6、7或8。这些数据位被接收到移位寄存器中,构成传送数据字符。在字符数据传送过程中,数据位从最
17、低有效位开始发送,依次顺序在接收设备中被转换为数据。 3、奇偶校验位 数据位发送完,可发送奇偶校验位。奇偶校验属于有限差错检测,通信双方需约定一致的奇偶校验方式。如果选择偶校验,那么组成数据位和奇偶位的逻辑1的个数必须是偶数;如果选择奇校验,那么逻辑1的个数必须是奇数。 4、停止位约定 在奇偶位或数据位之后发送停止位。停止位是一个字符数据的结束标志,可以是1位、1.5位或2位的高电平。接收设备收到停止位之后,通信线路上便又恢复逻辑1状态,直至下一个字符数据的起始位到来。 5、波特率设置 通信线上传送的所有位信号都保持一致的信号持续时间,每一位的信号持续时间都由数据传送速度决定,即以每秒多少个二
18、进制位来衡量的,这个速度就叫波特率。如果数据以300个二进制位每秒在通信线上传送,那么传送速度为300波特,通常记为300b/s。 6、握手信号约定 计算机与modem进行数据交换时,往往通过一些信号线作为交换数据的先提条件,当满足条件时允许数据进行传送;当不满足条件时,处于等待状态,等到允许数据传送的信号发生时,才又开始传送数据。 2.3 UART的典型应用 UART由于理想的低功耗、降低软件开销、降低CPU 开销、避免丢失数据、 发送和接收通道可以在不同的波特率下工作等优点,广泛应用于对速度要求不高的数据传输中。典型应用如下: ADSL boxes 基站 PC PABX 系统 便携式电话
19、Fax 服务器 5 四川大学本科毕业论文 UART接口设计及验证 Modem 集线器和路由器 工业自动控制 导航系统 自动售货机 其他更多 2.4 UART的时钟控制 UART以异步方式工作,接收器和传输器工作于不同的时钟频率,在传送数据的时候,一定要预先知道被传送数据的传输频率。也就是说,对于接收的UART来说,它在接收之前需要知道传输的UART的工作频率;相反,对于传输的UART来说,在它传输之前应该知道接收的UART的工作频率。由于很多情况下,同一个UART的传输器和接收器都工作于相同的频率下,可以把UART的传输、接收模块设置为统一的工作频率。 2.5 UART的数据采样 在接收器接收
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