基于FPGA与PC机串行通信UART模块设计

摘要

通用异步收发器(UART即Universal Asynchronous Receiver Transmitter)是现在大家在计算机串行通信中广泛使用的串行数据传输协议，UART能在串行线路上实行全双工的通信，其串行接口通信能支持长短距离数据传输，在微机和外设相互数据交换得到广泛应用。
　　串行控制器用到RS232C或RS422/485等异步串行接口，其功能是将计算机处理完的数据通过发送端并串转换送给外围设备，接收端将外围设备传送进来的数据进行串并转换送给计算机处理。常见的UART芯片有8250、8251、NS16450，这类芯片做的比较复杂，虽然说功能齐全，但是结构和功能都是固定的，并且数据传输速率不够快，难以满足现在高速率数据传输场合，所以这并不是我们选择的最适用的芯片。有些时候我们不会使用全部的UART的功能以及这些芯片所包含的其他额外功能时，就可以使用硬件描述语言Verilog将我们所需要的UART功能集成到现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray,FPGA)上，解决了传统UART芯片的资源浪费，并且使整个设计更加稳定和可靠，从而大大减少了电路板面积，简化了电路。本论文的研究内容如下:
　　1.分析FPGA可编程逻辑器件特性，Verilog硬件描述语言以及FPGA设计步骤，从整体上来理解FPGA硬件电路设计。
　　2.分析UART异步通信标准协议及接口原理，熟悉UART帧格式原理，从理论上对所设计模块进行理解。
　　3.用硬件描述语言设计集成于FPGA中的UART模块，通过硬件仿真和下载来验证其功能的正确性。
　　本课题设计研究选用了Alter公司的Cyclone系列低端的EP2C70F896C6芯片，利用Verilog硬件描述语言编写了整个UART系统，实现了异步串行通信的接收，发送和接口控制功能。
　　各项数据结果表明，基于EDA技术的FPGA现场可编程门阵列体积小，集成度高，能可编程实现UART异步串行通信功能，本设计的UART异步串行通信通过设计输入、仿真、测试及验证能满足预期设计目标。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景及意义

1．3 课题研究现状及相关技术

1．3．1 UART芯片的研究状况

1．3．2 FPGA的特征和发展趋势

1．4 本课题主要内容结构

2．FPGA结构及Verilog

2．1 FPGA的结构特征

2．1．1 可编程逻辑块CLB

2．1．2 可编程输入/输出块IOB

2．1．3 可编程互线资源PI

2．2 HDL硬件描述语言

2．2．1 硬件描述语言概述

2．2．2 Verilog HDL

2．2．3 VHDL

2．2．4 两种语言的比较

2．3 FPGA设计流程

3．异步通信理论及协议分析

3．1 异步串行通信协议

3．1．1 串行通信基本概念

3．1．2 异步串行通信

3．2 UART通信标准

3．2．1 RS-232C总线

3．2．2 RS-232C接口特性

3．3 本课题设计难点

4．通用异步收发器(UART)设计与实现

4．1 UART通信协议帧格式

4．2 硬件电路的设计

4．3 模块化设计

4．4 功能模块的实现

4．4．1 设计思路

4．4．2 信号定义

4．4．3 各个部分功能模块

4．5 UART模块RTL视图

5．FPGA串行通信接口模块的仿真及下载

5．1 FPGA串行通信接口模块仿真

5．2 FPGA串行通信接口模块的下载验证

6．结束语

参考文献

致谢