基于FPGA的UART控制器設(shè)計(jì)（VHDL）（中）

今天給大俠帶來基于FPGA的 UART 控制器設(shè)計(jì)（VHDL）（中），由于篇幅較長(zhǎng)，分三篇。今天帶來第二篇，中篇，RS-232 串口通信簡(jiǎn)介。話不多說，上貨。

導(dǎo)讀

串口的出現(xiàn)是在1980年前后，數(shù)據(jù)傳輸率是115kbps～230kbps。串口出現(xiàn)的初期是為了實(shí)現(xiàn)連接計(jì)算機(jī)外設(shè)的目的，初期串口一般用來連接鼠標(biāo)和外置Modem以及老式攝像頭和寫字板等設(shè)備。串口也可以應(yīng)用于兩臺(tái)計(jì)算機(jī)（或設(shè)備）之間的互聯(lián)及數(shù)據(jù)傳輸。由于串口（COM）不支持熱插拔及傳輸速率較低，部分新主板和大部分便攜電腦已開始取消該接口。串口多用于工控和測(cè)量設(shè)備以及部分通信設(shè)備中。

串口是串行接口的簡(jiǎn)稱，也稱串行通信接口或串行通訊接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的擴(kuò)展接口。串行接口（Serial Interface）是指數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送。其特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，只要一對(duì)傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信（可以直接利用電話線作為傳輸線），從而大大降低了成本，特別適用于遠(yuǎn)距離通信，但傳送速度較慢。

通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定。約定包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。串口通信的兩種最基本的方式為：同步串行通信方式和異步串行通信方式。

同步串行通信是指SPI（Serial Peripheral interface）的縮寫，顧名思義就是串行外圍設(shè)備接口。SPI是一種高速的全雙工通信總線。封裝芯片上總共有四根線，PCB布局布線也簡(jiǎn)單，所以現(xiàn)在很多芯片集成了這個(gè)協(xié)議。主要用于CPU和各種外圍器件進(jìn)行通信，TRM450是SPI接口。

異步串行通信是指UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用異步接收/發(fā)送。UART是一個(gè)并行輸入成為串行輸出的芯片，通常集成在主板上。UART包含TTL電平的串口和RS232電平的串口。RS232也稱標(biāo)準(zhǔn)串口，也是最常用的一種串行通訊接口。RS-232-C 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩個(gè)方面作了規(guī)定，即信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)和控制信號(hào)線的定義。RS-232－C 采用負(fù)邏輯規(guī)定邏輯電平，信號(hào)電平與通常的TTL電平也不兼容，RS-232-C 將-5V～-15V 規(guī)定為“1”，+5V～+15V 規(guī)定為“0”。

一般情況下外設(shè)不能直接和主機(jī)直接相連，它們之間的信息交換主要存在以下問題：

• 速度不匹配 通常情況下外設(shè)的工作速度會(huì)比主機(jī)慢許多，而且外設(shè)之間的速度差異也比較大。
• 數(shù)據(jù)格式不匹配 不同的外設(shè)在進(jìn)行信息存儲(chǔ)和處理時(shí)的數(shù)據(jù)單元可能不同，例如最基本的數(shù)據(jù)格式可以分為并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)。
• 信息類型不匹配 不同的外設(shè)可能采用不同類型的信號(hào)，有些是模擬信號(hào)，有些是數(shù)字信號(hào)，因此所采用的處理方式也不同。

為了解決外設(shè)和主機(jī)之間信息交換的問題，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)信息交換的中間環(huán)節(jié)——接口。本篇將首先對(duì)接口技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，然后以接口中最常用的 UART 控制器為例，詳細(xì)介紹用 FPGA 實(shí)現(xiàn) UART 控制器的方法。

第二篇內(nèi)容摘要：本篇介紹RS-232 串口通信簡(jiǎn)介 ，包括串口通信概述協(xié)議 、RS-232 通信時(shí)序和 UART以及串口通信實(shí)現(xiàn)方案等相關(guān)內(nèi)容。

二、RS-232 串口通信簡(jiǎn)介

2.1 串口通信概述

在數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及分布式工業(yè)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常采用串行通信來交換數(shù)據(jù)和信息。1969 年，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）將 RS-232C（簡(jiǎn)稱 RS-232）定為串行通信接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）間按位串行傳輸的接口信息，合理安排了接口的電氣信號(hào)和機(jī)械要求，適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在 0~20000bit/s 范圍內(nèi)的通信。RS-232 作為一種標(biāo)準(zhǔn)接口，不僅被內(nèi)置于每一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，同時(shí)也被內(nèi)置于各種外設(shè)中。

RS-232 具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

• 使用廣泛，幾乎每一臺(tái) PC 都會(huì)有一個(gè)或者多個(gè) RS-232 接口；
• 連接距離可達(dá)到 15m；
• 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，RS-232 用于雙向連接，只需要 3 條導(dǎo)線。

除了 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）還制定了 RS-422 與 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)。RS-422由 RS-232 發(fā)展而來，它是為彌補(bǔ) RS-232 之不足而提出的。RS-422 定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到 10Mbit/s，傳輸距離延長(zhǎng)到 4000 英尺（速率低于 100kbit/s 時(shí)），并允許在一條平衡總線上連接最多 10 個(gè)接收器。

RS-422 是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為 TIA/EIA-422-A 標(biāo)準(zhǔn)。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，EIA 又于 1983 年在 RS-422 基礎(chǔ)上制定了 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，命名為 TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。

由于 EIA 提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為前綴，所以在通信工業(yè)領(lǐng)域，仍然習(xí)慣將上述標(biāo)準(zhǔn)以 RS 作前綴稱謂。RS-232、RS-422 與 RS-485 的電氣參數(shù)如表 2 所示。

表 2 RS-232、RS-422 與 RS-485 的電氣參數(shù)表

雖然 RS-232、RS-422 與 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接口的電氣特性做出了規(guī)定，但是沒有規(guī)定連接插件、電纜或協(xié)議，所以在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。RS-232 等協(xié)議在視頻傳輸中被廣泛應(yīng)用，許多廠家都建立了一套高層通信協(xié)議，或公開或廠家獨(dú)家使用。如錄像機(jī)商家中的 Sony 與松下對(duì)錄像機(jī)的 RS-422 控制協(xié)議是有差異的，視頻服務(wù)器上的控制協(xié)議則更多了，如 Louth、Odetis 協(xié)議是公開的，而 ProLINK 則是基于 Profile 上的。

目前，RS-232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，本篇后兩篇就詳細(xì)介紹一下 RS-232 協(xié)議的內(nèi)容和使用 FPGA 開發(fā) RS-232 接口的方法。

2.2 RS-232 協(xié)議

標(biāo)準(zhǔn)的 RS-232 接口有 25 根信號(hào)線，其中有 4 根數(shù)據(jù)線、11 根控制線、3 根定時(shí)線和 7根備用線。通常情況下，使用 25 根信號(hào)線中的 9 根就可以實(shí)現(xiàn) RS-232 通信。

1）DSR 信號(hào)線

DSR（Data Set Ready）意思為數(shù)據(jù)裝置就緒，當(dāng)其狀態(tài)為有效時(shí)，表明 Modem 處于可以使用的狀態(tài)。

注意：Modem 是 Modulator/DEModulator 的縮寫，中文名稱是調(diào)制解調(diào)器。Modem 是一種在發(fā)送端通過調(diào)制將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，而在接收端通過解調(diào)再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的設(shè)備。

2）DTR 信號(hào)線

DTR（Data Terminal Ready）意思為數(shù)據(jù)終端就緒，當(dāng)其狀態(tài)為有效時(shí)，表明數(shù)據(jù)終端可以使用。

3）RTS 信號(hào)線

RTS（Request To Send）意思為請(qǐng)求發(fā)送，即當(dāng)終端需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使該信號(hào)有效，向Modem 請(qǐng)求發(fā)送。它用于控制 Modem 是否進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。

4）CTS 信號(hào)線

CTS（Clear To Send）意思為允許發(fā)送，這個(gè)信號(hào)是對(duì) RTS 信號(hào)的響應(yīng)。當(dāng) Modem 已經(jīng)準(zhǔn)備好接收終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)時(shí)，使該信號(hào)有效，通知終端開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

5）DCD 信號(hào)線

DCD（Data Carrier Detection）意思為數(shù)據(jù)載波檢出，當(dāng)此信號(hào)為有效時(shí)表示 Modem 已經(jīng)接通了通信鏈路，即本地 Modem 收到了通信鏈路另一端的遠(yuǎn)程 Modem 送來的載波信號(hào)，終端可以準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

6）RI 信號(hào)線

RI（Ringing）意思為振鈴指示，當(dāng)本地 Modem 收到交換臺(tái)發(fā)送的振鈴呼叫信號(hào)時(shí)，使該信號(hào)有效，通知終端已被呼叫。

7）TxD 信號(hào)線

TxD（Transmitted Data）意思是發(fā)送數(shù)據(jù)，終端通過此信號(hào)線將數(shù)據(jù)發(fā)送給 Modem。

8）RxD 信號(hào)線

RxD（Received Data）意思是接收數(shù)據(jù)，終端通過此信號(hào)線從 Modem 接收數(shù)據(jù)。

9）地線

地線有兩根，分別是信號(hào)地 SG（Signal Ground）和保護(hù)地 PE（Protection Ground），信號(hào)地是所有信號(hào)的參考電平，保護(hù)地用于連接設(shè)備外殼或者地表。

常見的 RS-232 串行口連接器主要有兩種，一種是 25 針的 DB-25，另一種是 9 針的 DB-9，其示意圖如圖 1 所示。

圖 1 RS-232 串行口連接器示意圖

其中 DB-9 主要用于上述的 9 根信號(hào)線連接的方法，DB-25 可以連接所有 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)定義的信號(hào)線。DB-25 也可用像 DB-9 那樣使用，但是它們的針號(hào)與信號(hào)之間的線連接關(guān)系是不一樣的，如表 3 所示。

表 3 DB-25、DB-9 針號(hào)信號(hào)線連接對(duì)應(yīng)表

最為簡(jiǎn)單且常用的 RS-232 連接方法是三線連接法，即地、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)三腳相連。對(duì)于上述的 DB-25 連接器和 DB-9 連接器，三線連接法的原則如表 4 所示。

表 4 DB-25、DB-9 三線連接法

在電氣特性方面，標(biāo)準(zhǔn) RS-232 接口有如下規(guī)定：

• 對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸線 RxD 和 TxD，邏輯“1”對(duì)應(yīng)的電平是-15V～-3V，邏輯“0”對(duì)應(yīng)的電平是+3V~+15V。
• 對(duì)于 RTS、CTS、DSR、DTR、DCD 等信號(hào)線，信號(hào)有效時(shí)對(duì)應(yīng)信號(hào)線上為正電壓+3V～+15V，反之則是負(fù)電壓-15V～-3V。

由于 RS-232 電氣特定規(guī)定的電平不符合通常電路中所使用的 TTL 或者 CMOS 電平，所以在接入電路之前需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。RS-232 串口電平的轉(zhuǎn)換一般是使用專門的芯片實(shí)現(xiàn)的，其中為最常用的就是美信（MAXIM）公司的 MAX232。

MAX232 可以將串口設(shè)備需要發(fā)送的 TTL/CMOS邏輯電平轉(zhuǎn)換為 RS-232 邏輯電平，同時(shí)也可以將要接收的 RS-232 邏輯電平轉(zhuǎn)換為 TTL/CMOS電平，圖 2 所示就是 MAX232 芯片的頂層圖。MAX232 可提供 DIP/SO/TSSOP 3 種封裝，可以滿足不同的設(shè)計(jì)需求。

圖 2 MAX232 芯片的頂層圖

MAX232 的典型連接方法如圖 3 所示，其中有 5 個(gè) 0.1μ 的去耦電容；11 管腳和 10 管腳是 TTL/CMOS 電平輸入，對(duì)應(yīng) 14 管腳和 7 管腳的 RS-232 電平輸出，它們一般接到 RS-232 的RxD 上；12 管腳和 9 管腳是 TTL/CMOS 電平輸出，對(duì)應(yīng) 13 管腳和 8 管腳的 RS-232 電平輸入，它們一般接到 RS-232 的 TxD 上。

圖 3 MAX232 典型連接示意圖

2.3 RS-232 通信時(shí)序和 UART

在串行通信中，用“波特率”來描述數(shù)據(jù)的傳輸速率。所謂波特率，即每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)，其單位為 bit/s（bits per second），它是衡量傳輸串行數(shù)據(jù)速度快慢的重要指標(biāo)。有時(shí)也用“位周期”來表示傳輸速率，位周期是波特率的倒數(shù)。國(guó)際上規(guī)定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波特率系列：110bit/s、300bit/s、600bit/s、1200bit/s、1800bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s、14.4kbit/s、19.2kbit/s、28.8kbit/s、33.6kbit/s、56kbit/s。如 9600bit/s，其意義是每秒傳送 9600 位數(shù)據(jù)，包含字符位和其他必須的位，如奇偶校驗(yàn)位、起始位、停止位。

大多數(shù)串行接口電路的接收波特率和發(fā)送波特率都可以設(shè)置，但接收方的接收波特率必須與發(fā)送方的發(fā)送波特率相同。通信線上所傳輸?shù)淖址麛?shù)據(jù)（代碼）是逐位傳送的，1 個(gè)字符由若干位組成，因此每秒鐘所傳輸?shù)淖址麛?shù)（字符速率）和波特率是兩種概念。在串行通信中所說的傳輸速率是指波特率，而不是指字符速率，假如在異步串行通信中，傳送一個(gè)字符，包括12 位（其中有一個(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，2 個(gè)停止位），其傳輸速率是 1200bit/s，每秒所能傳送的字符數(shù)是 1200/(1+8+1+2)=100 個(gè)。

在串行通信中，除了可以設(shè)置波特率外，其他的如字符數(shù)據(jù)的位數(shù)、奇偶校驗(yàn)位、停止位也可以被設(shè)置。其中，字符數(shù)據(jù)的位數(shù)可以被設(shè)置為 5~8 位；奇偶校驗(yàn)位可以去除，也可以設(shè)置為奇校驗(yàn)或者偶校驗(yàn)；停止位可以設(shè)置為 1 位、1.5 位或者 2 位。

下面介紹一下串行通信的時(shí)序。串行總線在空閑時(shí)候保持邏輯“1”狀態(tài)（即串行連接線上的電平為-3V~-15V），當(dāng)需要傳送一個(gè)字符時(shí)，首先會(huì)發(fā)送一個(gè)邏輯為“0”的起始位，表示開始發(fā)送數(shù)據(jù)；之后，就逐個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位（邏輯為“1”）。例如，通過RS-232 串行通信發(fā)送一個(gè)字符“1”（二進(jìn)制為 01100001），設(shè)置為 8 位數(shù)據(jù)位，1 位奇偶校驗(yàn)位，1 位停止位，則發(fā)送時(shí)序圖如圖 4 所示。

圖 4 RS-232 串行口通信時(shí)序圖

對(duì)于一個(gè)設(shè)備的處理器來說，要接收和發(fā)送串行通信的數(shù)據(jù)，還需要一個(gè)器件將串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)以便于處理器進(jìn)行處理，這個(gè)器件就是 UART。UART（Universal AsynchronousReceiver/Transmitter）全稱是通用異步收發(fā)器，其功能是輔助處理器與串行設(shè)備之間的通信。

作為 RS-232 通信接口的一個(gè)重要部分，UART 具有以下功能：

• 將由計(jì)算機(jī)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用于輸出的串行數(shù)據(jù)流；
• 將計(jì)算機(jī)外部傳遞來的串行數(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(duì)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；
• 提供和處理器之間的通信信號(hào)，可以處理處理器和串行通信設(shè)備之間的同步管理問題。

隨著處理器功能越來越強(qiáng)，目前大部分處理器中都集成了 UART，用戶的工作僅僅是根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行配置即可。

2.4 串口通信實(shí)現(xiàn)方案

實(shí)現(xiàn)串口通信主要需要完成兩部分工作：

（1）將串口電平轉(zhuǎn)換為設(shè)備電路板的工作電平，即實(shí)現(xiàn) RS-232 電平和 TTL/CMOS 電平的轉(zhuǎn)換；

（2）接收并且校驗(yàn)串行的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)變成并行的并提供給處理器處理。

前面已經(jīng)介紹了實(shí)現(xiàn) RS-232 電平和 TTL/CMOS 電平轉(zhuǎn)換可以用接口芯片實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行到并行轉(zhuǎn)化用的是 UART，它們是實(shí)現(xiàn)串行通信必不可少的兩個(gè)部分。雖然目前大部分處理器芯片中都集成了 UART，但是一般 FPGA 芯片卻沒有這個(gè)特點(diǎn)，所以使用 FPGA 作為處理器可以有兩個(gè)選擇，第一個(gè)選擇是使用 UART 芯片進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，第二個(gè)選擇是在 FPGA 內(nèi)部實(shí)現(xiàn) UART 功能。

使用 UART 芯片進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是卻會(huì)使設(shè)計(jì)的成本增加并且增加電路板的面積。選擇在 FPGA 片上實(shí)現(xiàn) UART 能夠節(jié)省成本，但是會(huì)占用一部分 FPGA的資源，如果有一定富余的 FPGA 資源，這是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。本篇下面的內(nèi)容將詳細(xì)介紹使用 FPGA 實(shí)現(xiàn) UART 的思路和步驟。

本篇到此結(jié)束，下一篇帶來基于FPGA的 UART 控制器設(shè)計(jì)（VHDL）（下），使用 FPGA 實(shí)現(xiàn) UART，包括UART 實(shí)現(xiàn)原理、UART 工作流程、信號(hào)監(jiān)測(cè)器模塊的實(shí)現(xiàn)、波特率發(fā)生器模塊的實(shí)現(xiàn)、移位寄存器模塊的實(shí)現(xiàn)、奇偶校驗(yàn)器模塊的實(shí)現(xiàn)、總線選擇器模塊的實(shí)現(xiàn)、計(jì)數(shù)器模塊的實(shí)現(xiàn)、UART 內(nèi)核模塊的實(shí)現(xiàn)、UART 頂層模塊的實(shí)現(xiàn) 、測(cè)試平臺(tái)的編寫和仿真等相關(guān)內(nèi)容。