基于CPLD的异步串行通讯控制器的研究与设计

文章摘要：3.1发送数据模块串行异步通信的发送器的实现要比接收器简单很多。没有数据要发送时，发送数据寄存器为空，发送器处于空闲状态；当检测到发送数据寄存器满信号后，发送器开始发送起始位，同时8个数据位被并行装入发送移位寄存器，停止位紧接着数据位指示数据帧结束。只有发送数据寄存器为空时，待发送的数据才能被装入，在设计中用一个TxE信号来告诉CPU此时控制器的发送寄存器为空。程序中使用计数器来保证发送数据时时钟的正确。这里使用一个状态机描述发送过程，图3是发送器状态机状态转换示意图。3.2接收数据模块串行数据帧与接收时钟是异步的，所以接收器功能实现中的关键是接收器时钟与每个接收字符的同步。一个有效的方法是接

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　　3.1发送数据模块

　　串行异步通信的发送器的实现要比接收器简单很多。没有数据要发送时，发送数据寄存器为空，发送器处于空闲状态；当检测到发送数据寄存器满信号后，发送器开始发送起始位，同时8个数据位被并行装入发送移位寄存器，停止位紧接着数据位指示数据帧结束。只有发送数据寄存器为空时，待发送的数据才能被装入，在设计中用一个TxE信号来告诉CPU此时控制器的发送寄存器为空。程序中使用计数器来保证发送数据时时钟的正确。这里使用一个状态机描述发送过程，图3是发送器状态机状态转换示意图。

　　3.2接收数据模块

　　串行数据帧与接收时钟是异步的，所以接收器功能实现中的关键是接收器时钟与每个接收字符的同步。一个有效的方法是接收器采用高速率时钟对串行数据进行采样，通常采样频率是位时钟频率的整数倍，也就是选择比较高的波特率因子。理论上倍数越高接收数据各位的分辨率越高，实际中一般最大选择16倍。

　　接收器应该尽可能地在靠近每个数据位周期的中心处进行采样。如果接收器能很好地预测起始位的开始，那么它可在起始位的下降沿到来之后，等待半个位周期再采样数据位。此后，接收器每等待一个位周期采样一个数据位，直至收到最后一位为止。

　　接收过程主要由一个3位状态机实现，其状态有空闲状态、接收起始位、接收数据位、接收奇偶校验位以及接收停止位。每一个状态表明了当前正在接收到数据属于哪一种字符，并且根据当前接收字符的状态驱动其他部件进行合适的操作。状态转换机的转换图如图4所示。

　　4基于CPLD的实现和仿真

　　可编程逻辑器件(PLD)是在20世纪80年代迅速发展起来的一种新型集成电路，随着大规模集成电路的进一步发展，出现了PAL和GAL逻辑器件，而复杂可编程逻辑器件CPLD是在此逻辑器件基础上发展起来的，它是由大量逻辑宏单元构成的。通过配置，可以将这些逻辑宏单元形成不同的硬件结构，从而构成不同的电子系统，完成不同的功能。正是CPLD的这种硬件重构的灵活性，使得设计者能够将用硬件描述语言(如VHDL或者Veritog HDL)描述的电路在CPLD中实现。这样一来，同一块CPLD能实现许多完全不同的电路结构和功能。同时也大大简化了系统的调试，从而能极大地缩短系统的研发周期。

　　于是我们在验证这一环节中，采用Xilinx公司的XC9500系列的XC95108 CPLD来验证该方案的合理性。在用VHDL语言实现图2的功能时，采用自顶向下的设计方法，先设计一个TOP顶层模块，它里面包括了接口控制电路模块，调制解调模块，发送模块和接收模块。其中接口控制电路模块包含了图2中的波特率控制逻辑电路，数据总线缓冲器和读写控制逻辑电路。设计实现中比较复杂的部分就是接口控制电路的实现。在接口控制电路模块中，设计了接收缓冲寄存器(RBR)，发送保持寄存器(THR)，中断使能寄存器(IER)，中断标识寄存器(IIR)，模式选择控制寄存器(LCR)，调制解调控制寄存器(MCR)，接收发送状态寄存器(LSR)，调制解调状态寄存器(MSR)，它们的存储器映射地址分别设置为000～110，因为该设计中把控制器设计为不能同时接收和发送，所以接收缓冲寄存器(RBR)和发送保持寄存器(THR)共用一个地址。其中，模式选择控制寄存器(LCR)用来设置，要发送数据的位数(从低到高发送)，奇偶校验位的位数和停止位的位数。

　　采用Xilinx公司的ISE工具发送和对接收这两个关键模块分别进行仿真，发送模块的时序波形图如图5所示，接收数据模块的时序波形图如图6所示。

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