10.6典型實例16：RS-232C（UART）接口的設計與實現

10.6.1實例內容及目標

1．實例的主要內容

本節旨在通過分析UART控制器，設計實現了FPGA通過RS-232C接口與PC機的通信。設計過程中用Modelsim對UART控制器進行仿真，幫助讀者進一步了解UART協議的具體時序。

2．實例目標

通過本實例，讀者應達到以下目標。

·了解UART工作原理和時序。

·熟悉Modelsim仿真的流程。

·熟練掌握狀態機的使用。

·實現FPGA與PC機之間的RS-232C接口通信。

10.6.2實例詳解

系統上電復位后，先將20個數寫入FPGA內部資源BlockRam（可以用IP核來實現），然后根據設定的協議（該協議可自己設定）來建立PC機與FPGA的通信，此處設定的協議如下。

PC機要從串口讀取數據時，先從串口發送E4H、00H。E4H代表FPGA的地址（可以隨意設定一個數），00H表示要讀取數據。FPGA收到這兩個數據后，通過串口給PC機反饋信號。發送E4H、E1H，表示FPGA已經收到了PC機的命令，要開始向PC機發送數據。PC端準備接收數據，建立了此連接后，PC機可從FPGA讀出最初寫入BlockRam中的值了。

10.6.3BlockRAM的實現方法

對于BlockRam，可以直接應用IP核來實現，具體實現步驟如下。

首先為工程添加新的設計文件，選擇“NewSource…”，如圖10.23所示。

圖10.23新建IP核設計文件

在彈出的對話框里面選擇創建IP（CoreGenArchitectureWizard）類型文件，并為該文件設置文件名及路徑，單擊“Next”按鈕，如圖10.24所示。

圖10.24選擇IP核類型

在選擇IP核類型對話框中選擇“DualPortBlockMemory6-1”，即可生成一個雙口RAM。單擊“Next”按鈕進入雙口RAM設置向導，如圖10.25所示。

在該向導中，要對該雙口RAM的屬性進行設置。

圖10.25雙口BlockMemory設置向導

如圖10.25所示，WidthA、WidthB分別為寫入兩個口的數據的位數，Depth為容量，在這里設為100，實際中只用到20個。對A口，上電復位后，就將20個數據寫入A口，因此A口設為WriteOnly，對于B口，FPGA向PC機發送數據時從B口讀取數據，因此B口設為ReadOnly，設置完畢后單擊“Generate”按鈕即可。

10.6.4FPGA代碼的設計實現

整個代碼采用了4個狀態機來實現，其中兩個狀態機用于從串口讀取數據，另外兩個用于向串口寫入數據。下面以從串口讀取數據為例來說明狀態機的工作過程。

從串口讀取數據的兩個狀態機主要完成如下功能：從串口接收到字符，并判斷是不是E4H、00H（自定協議規定的內容），如果是，就給出Response（應答）信號，通知發送數據狀態機開始向PC機發送數據。

這兩個狀態機，一個為主狀態機，用于連續從串口讀取數據；一個為輔狀態機，用于從串口讀取一個字節的數據。由于串口接收數據是一位一位地接收，該狀態機就控制從串口接收所有位，并將結果存入一個8位的寄存器。

當輔狀態機接收到一個字符后，就給主狀態機一個Received_char信號。主狀態機判斷是不是E4H信號，如果是，就跳到下一個狀態，等待輔狀態機接收下一個字符；如果下一個接收到的字符是00H，那么就給出Response信號。

系統狀態圖如圖10.26所示。

圖10.26系統狀態圖

狀態機描述是一種非常好的方法，用戶可在此基礎上加以修改，用于自己的實際設計當中。單個字符接收的狀態機如圖10.27所示。

圖10.27單字符接收狀態機

對于發送數據的兩個狀態機，其工作機理與上面相同，不再贅述。詳細設計參考實例代碼。

10.6.5波特率的設定

串口通信必須要設定波特率。本設計中采用的波特率為9600kbit/s，采用的時鐘為50MHz，相當于傳送一位數據需要約5028個時鐘周期。這里采用減法計數器來控制，即計數器計到5028個時鐘周期后，就開始傳輸下一位數據（也可以通過對時鐘分頻來實現）。

10.6.6ModelSim仿真驗證

FPGA從串口接收數據仿真結果，如圖10.28所示。

圖10.28從串口接收數據仿真結果

rxd為模擬PC機發出的E4H、00H信號。從圖中可以看到，當FPGA收到這兩個信號后，給出了Response脈沖。發送狀態機收到該信號后，給出txd的低電平信號，通知PC機要開始發送數據了。

如圖10.29所示，txd為FPGA向PC機發送的數據。發送狀態機收到Response信號后，給出txd低電平信號，開始發送數據。先發送應答信號E4H、E1H，之后開始發送開始寫入BlockRam的20個數，從0～19。圖中raddr為BlockRam的地址，rdata為從BlockRam中讀取的數據。

圖10.29SDRAM控制器仿真結果

在仿真時，為了顯示方便，沒有按照5028個時鐘傳輸一位，而是4個時鐘就傳輸一位。

10.6.7小結

本節對數字系統中常用的UART控制器做了初步的介紹，并在Modelsim中實現了對SDRAM控制器的仿真，最后通過編譯下載在紅色颶風的開發板上實現了預定功能。

通過這個實例，讀者能夠掌握UART控制器以及RS-232C接口的設計實現方法，并學會將這個控制器集成到更為復雜的設計中去。