通用异步串行接口的VHDL 实用化设计

### 通用异步串行接口的VHDL实用化设计 #### 摘要与背景 通用异步串行接口（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART）是一种用于电子设备间进行异步串行通信的标准接口。随着数字信号处理技术的发展，特别是现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）技术的进步，UART的设计变得越来越重要。本文旨在探讨如何通过VHDHL语言来实现一个稳定且功耗较低的UART接口设计。 #### 引言 FPGA作为一种重要的集成电路设计技术，已经广泛应用于电子、通信乃至航空航天领域。随着软件无线电等技术的发展，FPGA不仅作为粘合逻辑的角色出现，更成为了复杂系统设计的核心部分。例如，在中频软件无线电硬件平台的设计中，FPGA被用来实现上下变频、中频数字信号处理等功能，并作为不同模块（如A/D转换器、数字信号处理器（DSP）、ARM微控制器）之间的通信中心。 在这样的背景下，UART作为重要的通信接口之一，其设计的稳定性和功耗特性对于整个系统而言至关重要。特别是在嵌入式系统中，功耗的优化往往是设计的重点之一。因此，本文着重讨论了在UART的VHDL实用化设计过程中遇到的关键问题及其解决方案。 #### UART及ST16C550概述 UART是一种常见的异步串行通信接口标准，允许两台设备之间进行双向通信。在发送端，数据通常是从并行数据转换为串行数据流，然后通过串行链路发送出去；在接收端，串行数据流再被转换为并行数据。ST16C550是一款经典的UART接口芯片，它支持16字节的先进先出（First In First Out, FIFO）缓存，并能够通过波特率设置寄存器进行收发时钟的分频控制，适用于多种不同的通信速率。 #### 实用化设计的主要问题与解决方案 ##### 框架设计 UART的VHDL实用化设计需要考虑其基本功能和数据流的特点。一个典型的UART设计可以划分为以下几个主要模块： 1. **时钟生成模块**：负责时钟的分频和分配。 2. **界面模块**：负责UART模块与数据总线之间的交互。 3. **发送模块**：负责将接收到的并行数据转换为串行数据并发送出去。 4. **接收模块**：负责将串行数据转换为并行数据并存储到FIFO中。 5. **Modem模块**：负责与Modem的信息交互和控制。 ##### 时钟域的划分 在同步电路设计中，时钟域的合理划分对系统的稳定性至关重要。为了减少亚稳态带来的问题，需要对时钟域进行合理的规划。 - **低速时钟方案**：只使用一个经过分频后的低速时钟，虽然可以简化设计，但CPU需要花费更多时间来处理与UART的数据交换。 - **高速时钟方案**：使用外部提供的高速时钟，通过生成同步时钟使能信号来实现分频，虽然设计简单，但会导致较高的功耗。 - **综合方案**：采用两种时钟，界面模块采用外部提供的高速时钟，而其他模块则使用经过分频后的低速时钟。这样既保证了通信效率，又降低了整体功耗。 通过合理的时钟域划分和模块设计，可以实现一个既稳定又节能的UART接口设计。这不仅对于软件无线电平台有着重要意义，也为其他需要高性能、低功耗通信接口的应用提供了有益的参考。