基于IP核的多UART扩展及其FPGA实现.pdf

在当今的嵌入式系统领域，通用异步收发器（UART）由于其操作简便、工作可靠性高、抗干扰能力强等优点，在各种嵌入式设备接口中得到广泛使用。UART作为串行通信的重要组成部分，支持点对点的连接模式，适合于低速数据传输。然而，标准的8位处理器所提供的串行接口数量有限，无法满足大量串行接口设备的需求。为了解决这个问题，需要扩展UART接口的数量。 扩展UART接口的方法主要有四种：分时复用法、软件模拟串口、使用串并转换芯片以及专用的串口扩展芯片。分时复用法通过模拟开关实现单片机与多个串行设备之间的切换，成本较低，但通讯数据量不宜过大。软件模拟串口的方法需要占用大量的处理器资源，可能会对系统的其他任务造成影响。使用串并转换芯片将串行数据转换为并行数据后送至单片机，可以集成多个串口设备，但是成本相对较高。而专用的串口扩展芯片则可以直接扩展串口数量，适合于需要大量串口的应用场合。 在设计和实现多UART扩展时，可以利用IP核（Intellectual Property Core，知识产权核心）来构建硬件逻辑。IP核是一种可以重复使用的设计组件，能够通过FPGA（现场可编程门阵列）或ASIC（应用特定集成电路）来实现。FPGA是一种通过编程来实现特定逻辑功能的集成电路，它允许设计者在硬件中实现复杂的数字逻辑，具有高度的灵活性和可重配置性。 本研究采用了在IP核基础上设计的一种“桥”的方法来实现多UART的扩展。通过使用两块内部RAM，用Verilog硬件描述语言实现了多个UART接口的扩展。Verilog是一种用于电子系统设计和硬件描述语言，它可以用来在抽象级别上描述数字系统的逻辑设计，通过编译后可以在FPGA或ASIC中实现。 设计的多UART扩展方案在Modelsim仿真环境中进行了验证，Modelsim是一款广泛使用的硬件描述语言仿真软件，它可以提供精确的时序仿真功能，帮助验证设计的正确性。验证通过后，该方案在Actel公司的FPGA上进行了实际的硬件实现。 本研究的主要贡献在于提供了一种高效且可行的多UART扩展方法，这不仅提高了嵌入式系统的串行通信能力，也为其他需要多个串行接口的硬件设计提供了参考。此外，本研究强调了基于IP核的设计方法在现代FPGA设计中的重要性，以及如何通过Verilog等硬件描述语言实现复杂的系统功能。 总结来说，本研究针对标准8位处理器无法满足大量串行接口设备需求的问题，提出了一种基于IP核的多UART扩展方法，并在FPGA上成功实现。这一成果对于提高嵌入式系统的性能以及扩展其功能具有重要意义，特别是在需要大量串行通信接口的应用场景中。通过这种技术手段，可以灵活地增加UART的数量，满足不同的应用需求，提高系统设计的灵活性和可扩展性。