基于FPGA串口通信系统设计

西南科技大学城市学院本科生毕业论文Ⅰ基于FPGA串口通信系统设计摘要：UART(即UniversalAsynchronousReceiverTransmitter)是数据通信及控制中广泛使用的一种全双工串行数据传输协议。本设计基于FPGA器件实现对UART的波特率产生器、UART发送器和接收器及其整合电路的模块化设计，采用VerilogHDL语言对三个功能模块进行硬件描述。通过串口调试助手进行验证，其结果完全符合UART协议的要求和预期的结果。关键词：UART;FPGA;VerilogHDL;验证西南科技大学城市学院本科生毕业论文ⅡBasedonFPGAserialportcommunicationssystemdesignAbstract：UART(i.e.UniversalAsynchronousReceiverTransmitter)isinthedatacommunicationandthecontrolthewidespreaduseonekindoffull-duplexserialdatatransmissionagreement.ThisdesignrealizesbasedontheFPGAcomponenttotheUARTbaudrateproducer,theUARTtransmitterandthereceiverandtheconformityelectriccircuit'smodulardesign,usesVerilogtheHDLlanguagetocarryonthehardwaredescriptiontothreefunctionalmodules.Debugstheassistantthroughtheserialporttocarryontheconfirmation,itsresultmeets.Keywords：UART,FPGA,VerilogHDL,Validate西南科技大学城市学院本科生毕业论文Ⅲ目录第一章绪论.....................................................11.1课题背景....................................................11.2现场可编程门阵列FPGA.....................................11.2VerilogHDL简介.............................................3第二章串行通信系统................................................52.1概述........................................................52.2通信简述....................................................52.2.1串行通信概念...........................................62.3RS-232C总线................................................72.3.1RS-232C接口特性.......................................82.4串行通信接口组成............................................92.5UART通信协议............................................102.6系统整体结构...............................................12第三章UART系统设计.............................................143.1UART简介................................................143.2接收模块功能设计描述.......................................173.3发送模块功能设计描述.......................................233.4波特率模块.................................................303.5验证.......................................................31结论............................................................33致谢.............................................................34参考文献..........................................................35附录一............................................................37附录二............................................................38西南科技大学城市学院本科生毕业论文1第一章绪论1.1课题背景随着微电子技术的发展，数字电路系统正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。推动该潮流迅猛发展的引擎就是日趋完善的专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）设计技术。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路，以及许多具有特定功能的专用集成电路ASIC。ASIC通常包括全制定、半制定及可编程逻辑器件（包括简单的SPLD复杂的CPLD和FPGA）。对于前两种，由于生产中需要支付一次性工程费用所以小批量生产、试验项目等不可能采用前两种方法。因此可编程逻辑器件已成为实现ASIC的主要手段。可编程器件具有保密性强、体积小、重量轻、可靠性高等ASIC的共同优点，同时它还具有现场可编程的特性。与普通电路的集成电路相比，它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具优先等特点，因而现在被广泛地应用在数字通信、图形图像、仪表、兵器等系统中。由于集成电路的广泛应用，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商类独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而可编程逻辑器件正处于高速发展的阶段。新型的FPGA/CPLD规模越来越大，成本越来越低，。高性价比使可编程器件在硬件设计领域扮演着日益重要的角色。低端CPLD已逐步取代了74系列等传统的数字元件，高端的FPGA也在不断地夺取ASIC的市场份额，特别是目前大规模FPGA多数支持可编程片上系统，与CPU的有机结合使FPGA已经不仅仅是传统的硬件电路设计手段，而逐步升华为系统实现工具。1.2现场可编程门阵列FPGA20世纪80年代中期，FPGA刚出现时，大部分用来实现粘合逻辑、中等复杂度的状态机和相对有限的数据处理任务。在20世纪90年代早期，FPGA的规模和复杂度开始增加，那时它们的主要场所在通信和网络领域。到了20世纪90年代末，FPGA在消费、汽车和工业领域的应用经历了爆炸式增长。21世纪早期，已经可以买到数百万容量的高性能FPGA。今天FPGA几乎可以用来实现任何东西，包括通信设备和软件定义无线电，雷达、影像和其它数字信号处理的应用，直至包含硬件和软件的片上系统。西南科技大学城市学院本科生毕业论文2FPGA(field-ProgrammableGateArray),即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路出现的，既解决了制定电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：1、采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2、FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3、FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。4、FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5、FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。西南科技大学城市学院本科生毕业论文3当加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。当然FPGA存在于在某些场合选它而不是单片机的优势：⑴、FPGA运行速度快：FPGA内部集成锁项环，可以把外部时钟倍频，核心频率可以到几百M，而单片机运行速度低的多。在高速场合，单片机无法代替FPGA。⑵、FPGA管脚多，容易实现大规模系统：单片机IO口有限，而FPGA动辄有数百个IO口，可以方便连接外设。比如一个系统有多路AD、DA，单片机要进行仔细的资源分配，总线隔离，而FPGA由于丰富的IO资源，可以很容易用不同IO连接各外设。⑶、FPGA内部程序并行运行，有处理更复杂功能的能力：单片机程序是串行执行的，执行完一条才能执行下一条，在处理突发事件时只能调用有限的中断资源；而FPGA不同，逻辑可以并行执行，可以同时处理不同任务,这就导致了FPGA工作更有效率。⑷、FPGA有大量软核，可以方便进行二次开发：FPGA甚至包含单片机和DSP软核，并且IO数仅受FPGA自身IO限制，所以FPGA又是单片机和DSP的超集，也就是说，单片机和DSP能实现的功能，FPGA一般都能实现。1.3VerilogHDL简介VerilogHDL