赛灵思FPGA参考设计：用SoPC设计异步串行通信IP核
随着嵌入式技术的发展，基于sopc技术的嵌入式系统所具有的软硬件可裁减、可扩充、可升级以及可在线修改的特点越来越受到人们的重视。sopc系统通常具有以下基本特征：采用大容量可编程逻辑器件来实现，单芯片、低功耗；至少包含1个以上的嵌入式处理器ip核；具有一个或多条片上总线作为系统扩展功能的接口；具有充足的片上可编程逻辑资源，用户可以根据需要扩充功能部件。
异步串行通信协议（uart）以低成本、高可靠性等优点而广泛应用于嵌入式系统中，多篇文献也讨论了uart协议的硬件设计方法，但多数只限于讨论 uart协议的硬件实现，缺少从sopc系统的角度论述uart ip核的设计方法。本文以uart ip核和plb总线为例，讨论了在sopc系统下uart ip核的设计方法，该方法对其他ip核的设计有一定的参考作用。
1 uart协议介绍
uart是一种串行异步通信方式，它采用rs232电平在串行链路上进行全双工的通信，其数据传输格式如图1所示：uart协议在空闲时为高电平，通过发送起始位提示接收方数据传输即将开始，接着传输8位有效数据位和奇偶检验位，最后发送停止位表示一个字符传输完成。
2 sopc uart通信系统介绍
本文设计的sopc uart通信系统主要包括microblaze处理器、plb总线、uart ip核和ddr2控制器ip核，如图2所示。
microblaze处理器是xilinx公司针对其fpga器件优化的32位微处理器核，它采用risc（reduced instruction system computer）架构和哈佛总线结构，具有独立32位数据和指令总线，能够高速执行和访问片上存储器和片外存储器上的程序与数据；提供本地块存储器总线（lmb）、处理器本地总线（plb）等总线接口。
plb总线作为ibm coreconnect总线协议簇中的一部分，广泛的应用于ibm powerpc处理器架构中。该总线具有总线地址空间大，总线吞吐率高，能支持多个主从设备连接等特点。如图3所示，microblaze处理器通过 plb总线与uartip核、ddr2控制器相互连接，各部件之间通过plb总线协议进行交互。其中，microblaze处理器作为主设备完成系统控制和uart通信流程控制，uart ip核作为从设备在主设备的控制下完成异步串行通信，ddr2存储指令和数据。
microblaze处理器和ddr2控制器采用xilinx公司提供的ip核，uart ip核由用户编写逻辑，它是文中设计的主要内容，对此模块的设计将在下一节进行详细阐述。
3 uart ip核设计
3.1 plb slave single模块介绍
如上，uabt ip核作为plb总线的从设备，必须提供plb总线接口。但由于plb总线协议复杂，实现其接口难度较大，xilinx公司为了使用户编写的逻辑能够方便的连结到plb总线上，提供了一种plb总线与用户逻辑之间的接口模块（ipif，ip interface），利用它简化了plb总线接口信号、总线协议和其他接口相关问题。ipif接口逻辑中最简单的模块称为plb slave single模块，它提供了一种轻量级的plb总线接口，为plb总线主设备提供了解析从设备地址空间，读写从设备寄存器/存储空间等基本服务。本文设计的uartip核与microblaze处理器之间仅通过寄存器的读写进行交互，plb slave single模块很好的满足了该设计要求，因此采用plb slave single模块与uart逻辑共同构成了uart ip核。plb slave single模块与uart逻辑之间的连接关系如图3所示，接口信号说明如表1所示。
在系统中，uart ip核的内部寄存器组映射为处理器的某段地址空间，microblaze处理器通过对该段地址的读写实现对uart ip核的访问。当microblaze处理器访问uart ip核的某个寄存器时，plb总线会产生相应的地址信号和读写信号，该信号被uart ip核中的plb slave single模块解析并生成相应的ipif信号，uart ip核中的uabt逻辑响应该ipif信号，完成寄存器的读写。
3.2 uart ip核寄存器组设计
文中设计的uart ip核提供了5个寄存器，如表2所示。其中发送寄存器和读接收寄存器完成uart数据的发送和接收。状态寄存器提供了uart ip核内部状态，包括接收数据有效，发送fifo满，接收fifo满，奇偶校验错等状态。控制寄存器提供了uart ip核复位功能。配置寄存器提供了波特率设置，奇偶校验位设置等功能。
3. 3 uart协议逻辑模块设计
本文设计的uart协议逻辑模块主要包括波特率产生模块，发送模块，接收模块，寄存器组等几个部分，其结构如图4所示。寄存器组说明如表2，其他几个模块的设计如图4所示。
3. 3.1波特率模块
波特率模块根据plb总线提供的时钟产生需要的发送时钟和接收时钟。由于uabt在发送数据时只需要按照发送波特率将数据串行地发出就可以了，因此发送时钟就等于发送波特率。而当uart在接收数据时，需要对串行数据进行采样以判断接收数据。由于接收方和发送方的时钟不可能完全同步，所以需要对每一位接收数据持续电平的时间进行分段。分段越多，接收出现误判的概率就越低，但系统开销也越大。在实际的设计中通常采用发送时钟的16倍作为接收时钟。波特率模块的分频功能由两个16位计数器实现，它将plb总线时钟按配置寄存器的设定进行分频，产生发送时钟和接收时钟。
3.3.2发送模块
发送模块主要包括发送fifo和发送单元两部分，如图5（a）所示。发送fifo数据位宽度为8bit，深度为16字节。发送fifo缓存 microblaze处理器需要发送的数据。当fifo空间满时，发送模块将状态寄存器中“发送fifo满”标志位置1，microblaze处理器通过查询该位以判断uart ip核是否可以接收下一个发送数据。
发送单元的设计用有限状态机的方法实现，其状态转换图如图5（b）所示。系统在复位后，发送单元处于空闲状态。当fifo有发送数据时（empty管脚为低），发送单元发出读fifo操作，并进入数据准备状态。当数据从fifo中读出，发送单元首先发送起始位，进入发送状态。在发送状态下，发送单元依次串行发送8比特数据，并计算当前的奇偶校验码。在数据发送结束后，若配置寄存器中奇偶校验位为1，则发送奇偶校验位。最后发送单元发送停止位，回到空闲状态，完成次数据发送。
3.3.3接收模块
接收模块由接收fifo和接收单元两部分组成，如图6（a）所示。接收fifo数据位宽度为8bit，深度16字节，它负责缓存接收单元收到的数据，并在收到数据后将状态寄存器中“接收数据有效”标志位置1.microblaze处理器通过查询该位来判断是否有数据到达。
接收单元的设计同样采用了有限状态机的方法，其状态转换图如图6（b）所示。系统在复位后接收单元处于就绪状态。当接收单元在接收管脚连续检测到8个低电平时认为起始位有效，进入接收状态。在接收状态下，接收单元每16个接收时钟采集一次接收数据。8个接收数据都采集完成后，接收单元根据配置寄存器中“奇偶校验位”是否为1决定是否进行奇偶校验。若奇偶校验通过，接收单元将接收到的数据写入接收fifo.若奇偶校验未通过接收fifo满，接收单元丢弃收到的数据，并在状态寄存器中置“奇偶校验出错”位或“接收fifo满”位为1.
4实验验证
4. 1系统硬件介绍
本文采用xilinx公司提供的ml505 v5 fpga demo板作为sopc系统硬件平台。ml505 fpga演示验证板主要由一块virtex-5 xc5vlx50t fpga构成，此外还包括ram、flash、以太网接口芯片、usb接口芯片以及adm3202 rs-232电平转换芯片等外围扩展芯片，其中adm3202电路原理图如图7所示。
实验采用xilinx公司ise工具完成uart ip核的逻辑综合和仿真，仿真波形如图8所示，发送数据为0x01.uart ip核仿真通过后，用edk工具提供的peripheral import wizard生成一个采用plb slave single模块的自定义ip核框架。在该ip核目录下的user_logic.v文件中例化波特率模块、发送模块、接收模块和寄存器组，并增加相应总线访同逻辑后即生成了本文设计的uart ip核。
用edk工具中的base system builder wizard新建一个如图3所示的sopc系统，如图9所示。在port界面下将uart ip核的收发管脚定义为external，并在ucf文件中加入收发管脚的管脚映射描述。在address界面下生成uart ip核的地址空间，uart通信测试程序将通过该地址空间访问uart ip核。用edk工具中hardware菜单下generate bit stream命令生成该sopc系统的fpga配置文件。用该配置文件配置ml505板载fpga后，即生成了sopc uart通信系统硬件。
用edk工具中的xilinx sdk软件开发工具编写相应的uart通信测试程序，编译后将程序下载至microblaze处理器程序空间。将ml505板串口与pc机串口连接后运行 uart通信测试程序，在pc机上可以观察到此uart通信系统可以正确的发送和接收uart数据，证明了该uart ip核工作正常。
5结论
文中详细介绍了一种基于sopc概念的uart ip核的设计。通过将xilinx公司提供的plb slave single模块和本文设计的uart逻辑模块结合，快速搭建了一个满足plb总线接口要求的uart ip核，仿真与综合结果表明该uart ip核各项功能均达到预期要求。该设计方法既采用了成熟的商业ip核，也利用总线接口模块将用户自定义ip核与商业ip核连接成为一个完整的sopc系统。该方法增加了系统的灵活性、扩展性，同时缩短了系统开发时间，降低了系统开发难度，可为其他嵌入式系统的开发提供有益的参考。
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3.1 plb slave single模块介绍
如上，uabt ip核作为plb总线的从设备，必须提供plb总线接口。但由于plb总线协议复杂，实现其接口难度较大，xilinx公司为了使用户编写的逻辑能够方便的连结到plb总线上，提供了一种plb总线与用户逻辑之间的接口模块（ipif，ip interface），利用它简化了plb总线接口信号、总线协议和其他接口相关问题。ipif接口逻辑中最简单的模块称为plb slave single模块，它提供了一种轻量级的plb总线接口，为plb总线主设备提供了解析从设备地址空间，读写从设备寄存器/存储空间等基本服务。本文设计的uartip核与microblaze处理器之间仅通过寄存器的读写进行交互，plb slave single模块很好的满足了该设计要求，因此采用plb slave single模块与uart逻辑共同构成了uart ip核。plb slave single模块与uart逻辑之间的连接关系如图3所示，接口信号说明如表1所示。
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3.3.2发送模块
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