基于fpga的uart接口设计与实现(附件)【字数：8892】
摘 要随着通信技术和以太网技术的飞速发展，人们在数据传输上的要求也越来越高，数据通信、计算机网络以及分布式工业系统中，常采用串行通信来交换数据和信息，对于一个设备的处理器来说，要接受和发送串行通信的数据，还需要一个器件将串行的数据转换为并行数据以便于处理器进行处理，将待发送的并行数据转换为串行数据发送出去，这个器件就是UART。UART的全称是通用异步收发器，其功能是辅助处理器与串行设备之间的通信，本文从研究串行通信的基本工作工程和所处理的数据流的格式入手，设计UART的结构，并利用大规模可编程器件FPGA来实现UART电路。使用Quartus II9.0软件作为开发平台，以VHDL语言作为软件开发工具完成基于FPGA的通用异步收发器的设计。此外，设计验证方案并将电路下载到以开发板上，从而对所涉及的UART的功能进行实物验证。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2 FPGA的发展状况 1
1.3 UART的现状 3
第二章 系统方案设计 4
2.1总体结构设计 4
2.2 UART的工作原理 5
2.2.1异步串行通信数据传输格式 5
2.2.2起始位和停止位的作用 6
2.2.3发送和接收时钟 6
2.2.4奇偶校验 6
第三章 硬件设计 7
3.1 FPGA的内部组成结构 7
3.1.1可编程输入/输出单元(I/O单元) 7
3.1.2可编程逻辑单元(LE) 7
3.1.3数字时钟管理模块(DCM) 8
3.1.4嵌入式块（RAM） 8
3.1.5丰富的布线资源 8
3.1.6底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等 9
3.2 UART的硬件设计 9
第四章 软件设计 11
4.1发送模块 11
4.2接收模块 13
5.2功能测试图 14
第五章 试验和总结 16
5.1波特发生器的仿真图 16
5.2发送模块和接收模块的仿真图 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
/> 5.3UART模块的整合仿真图 17
结束语 18
致 谢 19
参考文献 20
附录 21
附录A硬件连接图 21
附录B源程序代码 22
第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
生活在数据通信发展的甚或中，计算机网络以及分布式工业系统的高速发展中，我们可以采用串行通信的方法来交换传输数据信息。串行接口，顾名思义，串行接口就是利用串行的方式来传输数据，也就是一位一位的传输。串行接口在现如今的生活中应用地非常广泛，比如我们经常使用的电脑PC主机上就至少有两个串行接口，分别是COM1和COM2。串行接口是一位一位的传输，所以相比于其他接口，串行接口的传输速度相对来讲会比较慢一点，但有弊也有利，一位一位传输有较长的传输距离，拥有较强的干扰能力。本次论文我们要研究的是通用异步收发器UART接口广泛使用的串行数据传输协议。通用异步收发器UART是一种短距离、低成本、传输速度慢、管脚较多的数据通信的串行传输接口，另外UART芯片比较复杂而且很难移植,在现实生活中与实际运用的过程中，现场可编程门阵列FPGA是必须跟上位机两者之间进行数据传输，串行通信的功能目前还没有植入到现场可编程门阵列FPGA的芯片内部中去，FPGA的芯片中不存在串行通信的功能，可是通用异步收发器UART芯片里面却有串行通信这个功能，所以UART芯片能够帮助FPGA解决这个问题，UART芯片虽然能解决FPGA的这个缺陷，但是它本身却也有缺陷限制了它的适用范围，而FPGA芯片却可以帮助UART芯片实现UART的模块化。本文就是为了解决UART芯片和UART芯片的缺陷，设计了在FPGA芯片的基础上植入UART接口，同时解决了两者的弊端。
1.2 FPGA的发展状况
SPLD和CPLD在许多应用项目中都是有用的，但是他们的缺项限制了他们的发展，就在此时，也就是在二十世纪末的时候，，Xilinx作为第一人推出了第一款FPGA产品，他把高密度性与早期的特性结合在了一起。现场可编程门阵列FPGA开始被人们称呼为编程的“万能芯片”。正常情况下来将，半导体产业这个行业的周期是四到五年，可是正如我们所见，经济和许多新兴技术的法杖导致半导体产业这个行业的周期变得越来越短了，除此之外，我们还可以发现，这个行业的每一个周期都有一个相同点，这个相同点就是他们都能拉动这个产业继续向前发展，当然拉，FPGA肯定也有个这优点，毕竟是要顺从这个行业的规律的。早在2008年，也就是经融危机爆发的那个时候，大部分半导体行业都呈下降趋势，只有FPGA行业一直在持续增长并持续推出新产品。而今，虽然是FPGA、ASIC、ASSP三足鼎立，但根据市场的不完全数据统计表明，FPGA已经开始侵蚀另两个市场并已经呈快速增长的趋势。作为一种可编程逻辑器件，FPGA在短短的数十年间里已经占据主导核心地位。此外，我们远光未来，FPGA芯片的前途一片光明，它将会在今后我们的生活中得到广泛的使用，凭借他给我们带来的好处带领我们更远，更稳。
中国的潜力无穷，有一个人，她就很早的发现了中国的发展潜力，所以他很有先见之明的加大对中国市场的投入，这个人就是Altera公司的亚太地区的ErhaanShaikh?Alter。一开始，他只是看好中国市场，但是自从进入到中国市场，他更加坚信自己的选择，开始在中国成立了一个技术支援中心，并且打算在中国长期发展下去。中国电子产品市场庞大，有许许多多的不同样周期形态的产品，这些都很适合FPGA与之结合发展，FPGA拥有着一些其他半导体无法比拟的优点，它很灵活，而且开发的周期性也很短，除此之外FPGA在航空航天，一些信息安全等方面，FPGA担任着举足轻重的位置，我国政府开始担心如果长期让他们发展下去，这很容易危害到我国的国防安全。所以我国政府开始投入大量的财力和物力来支持这些新兴产业。虽然我国政府已将意识到FPGA对我国的重要性，已经开始行动，但是在技术方面，我们不得不承认，我们还是与FPGA产业国际巨头之间存在很大的差距，有差距才会有发展，无论是从国家安全还是从我国的经济方面来看，我国都需要FPGA的支持，所以不管前路有多坎坷，都需要披荆斩棘的前进。近些年来，中国的FPGA产业开始慢慢地一步一步的与国际巨头看齐，甚至有取而代之的可能，为此，我们很为祖国感到骄傲。
1.3 UART的现状
在军事方面,通用异步收发器UART是我们常用的器件类型,比如我们生活中常见的一些全机监测、指令发送与接收、状态传送、键盘的显示操作还有控制,这些基本上采用的都是通用异步收发器UART。在现实生活中,许多大的器件的供应商由于许多原因，现在已经勒令供应商不能再生产此类军品级产品了,所以,如果要解决在雷达方面的一些问题，我们就必须努力去寻找其他办法来解决。比如,我们可以利用FPGA(一种可编程器件)来完成UART功能模块的实现,只有这么做,我们才可以同时满足产品类别的需求,又可以根据实际情况来进行增减配置。对于FPGA芯片来讲,UART芯片拥有者其他芯片无法比拟的优势,比如静态可重复编程和动态在系统重构等等这些特点,让该系统不仅仅能提高实时性,而且还能极大的提高电子系统设计的通用性和灵活性。综上所述,万能芯片FPGA和通用异步收发器UART接口相结合的技术开始逐渐运用于现代军事工业。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2 FPGA的发展状况 1
1.3 UART的现状 3
第二章 系统方案设计 4
2.1总体结构设计 4
2.2 UART的工作原理 5
2.2.1异步串行通信数据传输格式 5
2.2.2起始位和停止位的作用 6
2.2.3发送和接收时钟 6
2.2.4奇偶校验 6
第三章 硬件设计 7
3.1 FPGA的内部组成结构 7
3.1.1可编程输入/输出单元(I/O单元) 7
3.1.2可编程逻辑单元(LE) 7
3.1.3数字时钟管理模块(DCM) 8
3.1.4嵌入式块（RAM） 8
3.1.5丰富的布线资源 8
3.1.6底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等 9
3.2 UART的硬件设计 9
第四章 软件设计 11
4.1发送模块 11
4.2接收模块 13
5.2功能测试图 14
第五章 试验和总结 16
5.1波特发生器的仿真图 16
5.2发送模块和接收模块的仿真图 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
/> 5.3UART模块的整合仿真图 17
结束语 18
致 谢 19
参考文献 20
附录 21
附录A硬件连接图 21
附录B源程序代码 22
第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
生活在数据通信发展的甚或中，计算机网络以及分布式工业系统的高速发展中，我们可以采用串行通信的方法来交换传输数据信息。串行接口，顾名思义，串行接口就是利用串行的方式来传输数据，也就是一位一位的传输。串行接口在现如今的生活中应用地非常广泛，比如我们经常使用的电脑PC主机上就至少有两个串行接口，分别是COM1和COM2。串行接口是一位一位的传输，所以相比于其他接口，串行接口的传输速度相对来讲会比较慢一点，但有弊也有利，一位一位传输有较长的传输距离，拥有较强的干扰能力。本次论文我们要研究的是通用异步收发器UART接口广泛使用的串行数据传输协议。通用异步收发器UART是一种短距离、低成本、传输速度慢、管脚较多的数据通信的串行传输接口，另外UART芯片比较复杂而且很难移植,在现实生活中与实际运用的过程中，现场可编程门阵列FPGA是必须跟上位机两者之间进行数据传输，串行通信的功能目前还没有植入到现场可编程门阵列FPGA的芯片内部中去，FPGA的芯片中不存在串行通信的功能，可是通用异步收发器UART芯片里面却有串行通信这个功能，所以UART芯片能够帮助FPGA解决这个问题，UART芯片虽然能解决FPGA的这个缺陷，但是它本身却也有缺陷限制了它的适用范围，而FPGA芯片却可以帮助UART芯片实现UART的模块化。本文就是为了解决UART芯片和UART芯片的缺陷，设计了在FPGA芯片的基础上植入UART接口，同时解决了两者的弊端。
1.2 FPGA的发展状况
SPLD和CPLD在许多应用项目中都是有用的，但是他们的缺项限制了他们的发展，就在此时，也就是在二十世纪末的时候，，Xilinx作为第一人推出了第一款FPGA产品，他把高密度性与早期的特性结合在了一起。现场可编程门阵列FPGA开始被人们称呼为编程的“万能芯片”。正常情况下来将，半导体产业这个行业的周期是四到五年，可是正如我们所见，经济和许多新兴技术的法杖导致半导体产业这个行业的周期变得越来越短了，除此之外，我们还可以发现，这个行业的每一个周期都有一个相同点，这个相同点就是他们都能拉动这个产业继续向前发展，当然拉，FPGA肯定也有个这优点，毕竟是要顺从这个行业的规律的。早在2008年，也就是经融危机爆发的那个时候，大部分半导体行业都呈下降趋势，只有FPGA行业一直在持续增长并持续推出新产品。而今，虽然是FPGA、ASIC、ASSP三足鼎立，但根据市场的不完全数据统计表明，FPGA已经开始侵蚀另两个市场并已经呈快速增长的趋势。作为一种可编程逻辑器件，FPGA在短短的数十年间里已经占据主导核心地位。此外，我们远光未来，FPGA芯片的前途一片光明，它将会在今后我们的生活中得到广泛的使用，凭借他给我们带来的好处带领我们更远，更稳。
中国的潜力无穷，有一个人，她就很早的发现了中国的发展潜力，所以他很有先见之明的加大对中国市场的投入，这个人就是Altera公司的亚太地区的ErhaanShaikh?Alter。一开始，他只是看好中国市场，但是自从进入到中国市场，他更加坚信自己的选择，开始在中国成立了一个技术支援中心，并且打算在中国长期发展下去。中国电子产品市场庞大，有许许多多的不同样周期形态的产品，这些都很适合FPGA与之结合发展，FPGA拥有着一些其他半导体无法比拟的优点，它很灵活，而且开发的周期性也很短，除此之外FPGA在航空航天，一些信息安全等方面，FPGA担任着举足轻重的位置，我国政府开始担心如果长期让他们发展下去，这很容易危害到我国的国防安全。所以我国政府开始投入大量的财力和物力来支持这些新兴产业。虽然我国政府已将意识到FPGA对我国的重要性，已经开始行动，但是在技术方面，我们不得不承认，我们还是与FPGA产业国际巨头之间存在很大的差距，有差距才会有发展，无论是从国家安全还是从我国的经济方面来看，我国都需要FPGA的支持，所以不管前路有多坎坷，都需要披荆斩棘的前进。近些年来，中国的FPGA产业开始慢慢地一步一步的与国际巨头看齐，甚至有取而代之的可能，为此，我们很为祖国感到骄傲。
1.3 UART的现状
在军事方面,通用异步收发器UART是我们常用的器件类型,比如我们生活中常见的一些全机监测、指令发送与接收、状态传送、键盘的显示操作还有控制,这些基本上采用的都是通用异步收发器UART。在现实生活中,许多大的器件的供应商由于许多原因，现在已经勒令供应商不能再生产此类军品级产品了,所以,如果要解决在雷达方面的一些问题，我们就必须努力去寻找其他办法来解决。比如,我们可以利用FPGA(一种可编程器件)来完成UART功能模块的实现,只有这么做,我们才可以同时满足产品类别的需求,又可以根据实际情况来进行增减配置。对于FPGA芯片来讲,UART芯片拥有者其他芯片无法比拟的优势,比如静态可重复编程和动态在系统重构等等这些特点,让该系统不仅仅能提高实时性,而且还能极大的提高电子系统设计的通用性和灵活性。综上所述,万能芯片FPGA和通用异步收发器UART接口相结合的技术开始逐渐运用于现代军事工业。
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