1 引言
隨著集成電路的深亞微米制造技術(shù)和eda技術(shù)的迅猛發(fā)展,芯片的密度和復(fù)雜度不斷提高,復(fù)用以前的設(shè)計(jì)模塊用于asic芯片和在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的功能形成所謂的片上可編程系統(tǒng)( system on programmable chip,sopc) 已成為一種發(fā)展的新趨勢。ip core(知識產(chǎn)權(quán)核) 設(shè)計(jì)的重用性以及sopc 技術(shù)的出現(xiàn),以其設(shè)計(jì)的靈活性大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期,減少了設(shè)計(jì)成本,降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),加快了產(chǎn)品的上市速度。本文中介紹的串行口控制器是一種功能和通信協(xié)議與MCS-51系列單片機(jī)的串行口相兼容,性能有大幅提高的數(shù)據(jù)通信部件,其往往于低速低成本的微機(jī)與下位機(jī)的通訊中,并允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信。通過IP核重用技術(shù),可廣泛應(yīng)用在各種soc、嵌入式微處理芯片的設(shè)計(jì)以及工業(yè)應(yīng)用中。
2 系統(tǒng)簡介
本課題采用altera公司的max+plusⅱ10.0設(shè)計(jì)平臺,以超高速集成電路硬件描述語言vhdl為系統(tǒng)邏輯描述的唯一表達(dá)方式,采用自頂向下的設(shè)計(jì)原則,對mcs-51單片機(jī)的串行接口進(jìn)行反相設(shè)計(jì)。同時選用altera公司的acex系列器件來實(shí)現(xiàn)最終的ip核。由于篇幅的關(guān)系,筆者不打算對開發(fā)平臺、開發(fā)工具以及最終實(shí)現(xiàn)硬件電路的fpga芯片進(jìn)行介紹,而是著重介紹整體的設(shè)計(jì)思想。根據(jù)對mcs-51單片機(jī)的串行接口塊功能的剖析[1]和模塊化的設(shè)計(jì)思想,在設(shè)計(jì)時進(jìn)行模塊劃分,可劃分為4個子模塊,它們分別是:(1)串口時鐘發(fā)生器模塊;(2)數(shù)據(jù)檢測器模塊;(3)發(fā)送器模塊;(4)接收器模塊。由于同步電路較容易使用寄存器的異步復(fù)位/置位端,可以使整個電路有一個確定的初始狀態(tài);使用同步電路易于消除電路的毛刺,使設(shè)計(jì)更可靠;同步電路可以很好地利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具,如靜態(tài)時序分析工具等,為設(shè)計(jì)者提供最大便利條件,便于電路錯誤分析,加快設(shè)計(jì)進(jìn)度。所以我們采用嚴(yán)格的同步設(shè)計(jì)電路來設(shè)計(jì)串行口ip核,即本設(shè)計(jì)中只有一個clk上升沿,從而保證了每一個觸發(fā)器同步動作,消除了時鐘不同步帶來的誤動作。
3 系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)
設(shè)計(jì)一個軟核,首先要確定本核與外部的信息交換通路,即本模塊與外部電路的接口,友好的接口模型可以大大提高ip核的使用范圍。圖1是串行口ip核的接口模型圖,圖中左邊的引腳是輸入引腳,右邊是輸出引腳,圖中引腳的寬度均有標(biāo)明(未寫出寬度表明寬度為“1”)。由于本設(shè)計(jì)不支持i/o口的復(fù)用,所以為串行口工作于模式0下增加了rxd_o和rxdwr兩個輸出引腳,前者用于輸出,后者為輸出有效控制位(rxdwr為高電平時,指示輸出)。串行口控制寄存器scon在設(shè)計(jì)中也被分成兩部分,一部分接收來自控制器的輸入(一共6位, sm0、sm1、sm2、ren、tb8和ri),一部分作為輸出送往控制器(一共3位,rb8以及分別指示發(fā)送和接收完畢的兩位,控制器會根據(jù)這兩位來對中斷標(biāo)志置位)。至于發(fā)送中斷標(biāo)志位ti,由于其不會影響串行口的工作過程所以在此并未列出,它將在控制器中得到體現(xiàn)。
圖1 串行口輸入輸出引腳圖
串行口有四種工作方式,方式0的波特率固定的(為1/12倍的輸入時鐘頻率);方式1和方式3的波特率是定時器/計(jì)數(shù)器1的溢出率的1/16或1/32倍;而方式2的波特率則是輸入時鐘頻率的1/32或1/64倍。由此可見,首先必須要解決的問題就是設(shè)計(jì)分頻器。由于在方式0下,串行口是作半雙工的同步移位寄存器使用,其發(fā)送和接收的波特率是一樣的,因此對于方式0,串行口內(nèi)部的分頻信號只需要一路即可。但是對于其他方式,串行口均是工作在全雙工的狀態(tài)下,因此,每種方式下均需要兩路分頻信號,一個用于發(fā)送,一個用于接收。
對于方式0和方式2,其分頻的對象是輸入時鐘,實(shí)現(xiàn)這種分頻器的主要vhdl代碼的如下:(信號s_count_enable的頻率為輸入時鐘頻率的1/12,其高電平維持時間與一個輸入時鐘的周期相等。)
s_count_enable<=`1`when s_pre_count=conv_unsigned(11,4) else `0`;
p_divide_clk: process (clk, reset)
begin
if reset = `1` then
s_pre_count <= conv_unsigned(0,4);
else
if clk`event and clk=`1` then
if s_pre_count = conv_unsigned(11,4) then
s_pre_count <= conv_unsigned(0,4);
else
s_pre_count <= s_pre_count + conv_unsigned(1,1);
end if;
end if;
end if;
end process p_divide_clk;
對于方式1和方式3,其分頻的對象都是定時器/計(jì)數(shù)器1的溢出率,且分頻的系數(shù)是一樣的。由于串行口只有一個,它不可能調(diào)試工作在方式1和3,因此方式1和方式3可以共用分頻信號。要對定時器/計(jì)數(shù)器1的溢出率進(jìn)行分頻,首先必須測出其頻率,為此需要一個上升沿的檢測器來監(jiān)測外部輸入的定時器/計(jì)數(shù)器1的溢出信號(圖1中的tf_i引腳),這樣的檢測器可以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn),限于篇幅,雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的vhdl實(shí)現(xiàn)請參考文獻(xiàn)[2],這里就不加詳述。檢測器在監(jiān)測到tf_i引腳的上升沿時就使其輸出信號保持一個時鐘周期的高電平,再另外設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器對此高電平進(jìn)行計(jì)數(shù),以達(dá)到對其分頻的效果。
除了作為同步移位寄存器的方式0外,其他作uart(通用異步接收和發(fā)送器)用的三種方式在接收外部輸入的時候均需要對外部的輸入信號采樣監(jiān)測以確定信號的值。因此一個位檢測器是必需的。同時,串行口工作在方式1、方式2和方式3時,每一個接收的數(shù)據(jù)幀都有一個起始位,這個起始位被固定為0,也就是說在輸入端rxd_i監(jiān)測到1到0的跳變就會啟動接收過程(注:負(fù)跳變檢測器對外部輸入引腳的采樣頻率為波特率的16倍)。負(fù)跳變檢測器和上述上升沿檢測器的設(shè)計(jì)思路是一樣的。位檢測器的設(shè)計(jì)原理是把一個接收位的時間分為16等分(以內(nèi)部計(jì)數(shù)器的16個狀態(tài)來表示),在計(jì)數(shù)器的7、8、9狀態(tài)時,位檢測器對外部輸入端的值進(jìn)行采樣。采用3取2的表決方法來抑制噪聲。如果位檢測器檢測到接收的第一位不是0,那么就說明它不是一幀數(shù)據(jù)的起始位,應(yīng)該擯棄,接收電路復(fù)位。
至于接收器和發(fā)送器,這里采用有限狀態(tài)機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)。由于要工作在全雙工模式下,所以接收和發(fā)送要采用兩個有限狀態(tài)機(jī)。有限狀態(tài)機(jī)的每一個狀態(tài)用來發(fā)送/接收移位數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收的具體實(shí)現(xiàn)方式是移位。移位的時鐘來自上面所述的分頻器的,也就是根據(jù)各自的波特率進(jìn)行。雖然此部分很繁瑣,但是實(shí)現(xiàn)并不困難,請讀者參閱文獻(xiàn)[3]、[4]和[5]。
4 模塊功能仿真
圖2是串行口工作在方式0下發(fā)送數(shù)據(jù)的仿真圖。輸入信號trans_i是發(fā)送的啟動信號(高電平有效)。它的出現(xiàn)使內(nèi)部用于發(fā)送的狀態(tài)機(jī)啟動,同時使內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位,以便使每位的發(fā)送過程與計(jì)數(shù)器同步。計(jì)數(shù)器滿刻度偏轉(zhuǎn)一次,狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)就會增加1。如圖所示,在狀態(tài)0向狀態(tài)1轉(zhuǎn)換時,將要發(fā)送的8位數(shù)據(jù)的最低為輸出到rxd_o,這一數(shù)據(jù)的電平一直維持到狀態(tài)1向狀態(tài)2轉(zhuǎn)換,這時開始輸出第二位數(shù)據(jù)。依此類推,在狀態(tài)8的末尾,8位數(shù)據(jù)完全輸出完畢后,指示是否有數(shù)據(jù)輸出的信號rxdwr_o變?yōu)榈碗娖剑硎緮?shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢。同時,發(fā)送完成的指示信號(scon_o[0…2]中的相應(yīng)位)也會置位。
圖2 工作于方式0的串行口發(fā)送數(shù)據(jù)的仿真圖
圖3是工作于方式0的串行口接收數(shù)據(jù)的仿真圖。接收狀態(tài)機(jī)的啟動依靠的是輸入信號 ren、ri。當(dāng)ren=1且ri=0時,就會啟動一次接收過程。如圖中所示,接收過程始于狀態(tài)0的末尾scon_i的ren=1的時候(圖中左邊的豎線處),而在下一個狀態(tài)(狀態(tài)1)的末尾就會將外部輸入引腳的值移入內(nèi)部的移位寄存器,依此類推,直到狀態(tài)8的末尾將第8位數(shù)據(jù)移入,同時使接收緩沖寄存器和sbuf_o的值都為剛才移位所得到數(shù)值,以送往控制器處理。同時,接收完成的指示信號(scon_o[0…2]中的相應(yīng)位)也會置位。
圖3 工作于方式0的串行口接收數(shù)據(jù)的仿真圖
圖4是工作于方式1的串行口的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)同時進(jìn)行的仿真圖。方式1中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時鐘源自tf_i。其發(fā)送的啟動信號仍然是trans_i;接收的啟動信號是檢測到外部輸入信號rxd_i有負(fù)跳沿出現(xiàn)。如圖中所示,在接收狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)0的末尾,負(fù)跳沿被檢測到,狀態(tài)機(jī)馬上啟動,轉(zhuǎn)入下一個狀態(tài)1。在狀態(tài)1中,三次掃描檢測rxd_i引腳的值,如果有兩次或者三次值是“0”,則說明收到的起始位的值是“0”,狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位,依此類推直到狀態(tài)9的末尾將8位數(shù)據(jù)位最后一位收到并移如移位寄存器。再在下一個狀態(tài)(狀態(tài)10)接受停止位,如果停止位有效(停止位送至rb8,圖中的scon_o(2)),則將接收到的數(shù)據(jù)送到接受緩沖區(qū),并輸出。至于發(fā)送,首先要發(fā)送的是起始位“0”,最后還要發(fā)送一位停止位“1”,上圖中很清楚的表示了這一過程。
圖4 工作于方式1的串行口發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的仿真圖
圖5是工作于方式2的串行口的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)同時進(jìn)行的仿真圖。方式2和方式1的接收和發(fā)送的工程是一樣的。不同的在接收時,它用來送入rb8的值不是停止位而是可編程控制位,同時也是根據(jù)對這一位的判斷來決定接收是否有 效。(圖中接收的可編程控制位是“1”)在發(fā)送時,它在停止位之前還發(fā)送一位可編程控制位tb8(圖中scon_i的最低位)。
圖5 工作于方式2的串行口發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的仿真圖
至于方式3下串口的工作情況,除波特率不同外,其他與方式2完全一樣,圖6是工作于方式3的串行口的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)同時進(jìn)行的仿真圖。
圖6 工作于方式3的串行口發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的仿真圖
5 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的兼容MCS-51單片機(jī)的串行口IP核采用完全同步的設(shè)計(jì),系統(tǒng)在統(tǒng)一的時鐘下工作。時鐘周期只與所選用的fpga/cpld芯片的延時有關(guān),而與設(shè)計(jì)無關(guān),因此,串行口的波特率可根據(jù)時鐘周期任意調(diào)整。另外,此串行口ip 核已經(jīng)結(jié)合其它ip核做成了一個soc系統(tǒng),并成功地通過了fpga的測試。