支持红外通信协议的UART IP核方案

　　1　引言

　　IP核就是具有知识产权（IntellectualProperty）的模块，随着片上系统和系统级设计的出现，IP核的设计及其复用成为集成电路设计的关键手段。IP核按照ASIC设计学的要求可分为硬核，固核和软核。硬核是按照特定工艺，对设计进行了所有的验证和仿真，以达到优化。复用硬核所需时间和技术难度都较小，但用户难以再修改硬核。固核是完成了综合的模块，它比软核更多完成了门级综合和时序仿真，提供门级网表。软核只完成RTL级的设计，是独立于工艺条件的HDL描述语言生成的源代码，使用者可以利用它针对不同工艺修改或重新综合设计，给后续者提供了更大的创作空间，软核具有很大灵活性，成为IP复用的主流。

　　本文设计的UART软核，不仅支持UART通用的RS232协议，还支持IRDA1.0协议，以适用于红外接口。

　　2　UART的IP核设计及分析

　　根据Top-Down的设计方法，对UART功能进行整体分析研究，划分为包括接口模块，发送模块，接收模块，中断控制模块，红外接口模块，波特率发生模块等主要功能模块。利用Verilog-HDL设计相应的IP核，UART模块图如图1所示。

图1　功能模块图

　　2.1　接口模块设计

　　接口模块包括各个控制寄存器和状态寄存器，这些寄存器的各个控制字控制其它各个功能模块。

　　它是UART与外界通信的接口，处理器通过它对UART进行控制。UART工作方式和传送的数据及其格式均由UART接口模块控制。

　　2.2　发送模块设计

　　发送模块将从处理器接收到的数据，按规定的格式加上起始位，奇偶检验位和停止位后串行输出。

　　发送数据格式由一个有限状态机来控制。如图2所示。

　　空闲状态：UART复位时，状态机自动到空闲状态。发送模块检查是否发送数据，有则进入开始状态。开始状态：开始状态将给待发送的数据加上起始位（低位）。

　　移位状态：发送模块将待发送的数据从发送缓冲寄存器THR或发送FIFO中移出，按规定格式一位一位发送，直到一位数据位。发送模块根据发送数据格式控制字判断是否进入校验状态。若无，则到停止1位状态，如有校验，则到检验状态。

图2　发送模块状态机

　　校验状态：发送状态机按控制字格式，给数据加入奇偶检验位。

　　停止1位状态：状态机根据控制字，给数据加上1,0.5,2位数据位。发送模块首先进入停止1位状态，给数据加上1位停止位（高位）。若只需一位停止位，则回到空闲状态。否则根据要求到停止0.5位状态或停止2位状态。

　　停止0.5状态：发送模块在此状态下，给数据位加入5个发送时钟周期长度的高电平。

　　停止2位状态：发送模块对需要2位停止位的数据再加一位停止位。

　　2.3　接收模块设计

　　接收模块将从UART外部接收串行数据，将所接收的数据放到接收FIFO中存放起来，以便处理器读取。接收过程同样由有限状态机控制。如图3所示。

图3　接收模块状态机

　　接收器模块不仅对接收的数据滤出噪声干扰，还要对数据位的溢出出错，奇偶检验出错，帧出错，BREAK等进行检验，并根据检验结果设置线状态寄存器相应的状态位。

　　空闲状态：UART复位时，接收状态机进入空闲状态。一旦接收到有用起始位，状态机进入接收数据状态，到移位状态。

　　移位状态：状态机根据接收控制字，对接收数据移位，并按正确格式将数据放入接收缓冲器或接收FIFO中。

　　校验状态：对接收的数据根据接收的校验位进行判断。并置相关位。

　　停止状态：状态机在此状态下，根据接收数据是否在正确时间采样到停止位，置相关位。

　　2.4　中断控制模块设计

　　中断控制模块要求当任何中断发生时，使中断使能寄存器的相应位允许中断发生，输出端口INTER将为高电平。中断识别寄存器保存着多级中断类型：接收器线状态（溢出出错，奇偶检验出错，帧格式出错，BREAK）出错，接收数据准备好，接收超时，发送器空。外界将通过中断识别寄存器识别中断类型。同样中断级别判定由有限状态机来控制，以决定中断的优先权。

　　2.5　波特率发生器模块设计

　　波特率发生器模块提供UART进行通信时所需时钟，还需对外部接收时钟进行同步处理，本设计的波特率发生器模块利用时钟分频寄存器（PSD和DL）对主频fclk分频提供给UART所需的各标准波特率BR（如式1）。DL可以提供1到65536的任意分频，PSD还可以提供针对主频过高的分频因子，以适用于更广的主频。BR的计算公式如下：

　　2.6　红外接口模块设计

　　通用发送模块和接收模块传送的是RS232协议要求的不归零码NRZ,传送的每一位数据都是占用一位数据的全部时间来保持为“1”或为“0”。红外协议与RS232协议一样都是按照每个字符为一帧来进行传送的，包括起始位，数据位，奇偶检验位和停止位。但与RS232协议不一样的是，红外协议按照数据为“1”时传送的是“0”，数据为“0”时传送的是数据位的3?16宽的脉冲。本设计的红外接口模块完成这两种协议的电平转换，以实现传送红外数据的功能。主要由编码模块和解码模块完成，编码模块完成RS232到IRDA之间的转换，解码模块完成IRDA到RS232之间的转换。UART在使用中，通过控制寄存器（MCR）的控制字来决定采用哪种通信协议。

　　3　IP核仿真验证

　　本设计用Candence公司的Ncverilog和Synopsys的DesignCompiler进行仿真，综合调试。图4为UART依次传送8’b10101100,8’b10101101,8’b10101110的通用RS232协议串行输出结果和IRDA的输出结果（奇检验）。利用XilinxXPLA3CPLD验证，其频率可达78MHz。

　　结果表明设计满足要求，其传输速率和工作频率均远大于工业实际应用。

图4　UART发送数据的输出结果

　　4　结语

　　IP核在集成电路中的应用越来越广，尤其是目前的工艺朝着深亚微米尺寸发展，IP核的设计和复用更变得异常重要。IP核技术的出现提高了设计效率和质量，缩短了产品的开发周期，有利于优化设计资源，避免重复劳动。使超大规模的系统芯片设计方便，快捷。本文采用Verilog-HDL语言设计的支持红外通信协议IRDA1.0UART的软核既可单独作为UART使用，也可复用于多种芯片中。