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10.6 典型实例16：RS-232C（UART）接口的设计与实现
10.6.1 实例内容及目标
1．实例的主要内容
本节旨在通过分析UART控制器，设计实现了FPGA通过RS-232C接口与PC机的通信。设计过程中用Modelsim对UART控制器进行仿真，帮助读者进一步了解UART协议的具体时序。
2．实例目标
通过本实例，读者应达到以下目标。
· 了解UART工作原理和时序。
· 熟悉Modelsim仿真的流程。
· 熟练掌握状态机的使用。
· 实现FPGA与PC机之间的RS-232C接口通信。
10.6.2 实例详解
系统上电复位后，先将20个数写入FPGA内部资源BlockRam（可以用IP核来实现），然后根据设定的协议（该协议可自己设定）来建立PC机与FPGA的通信，此处设定的协议如下。
PC机要从串口读取数据时，先从串口发送E4H、00H。E4H代表FPGA的地址（可以随意设定一个数），00H表示要读取数据。FPGA收到这两个数据后，通过串口给PC机反馈信号。发送E4H、E1H，表示FPGA已经收到了PC机的命令，要开始向PC机发送数据。PC端准备接收数据，建立了此连接后，PC机可从FPGA读出最初写入BlockRam中的值了。
10.6.3 BlockRAM的实现方法
对于BlockRam，可以直接应用IP核来实现，具体实现步骤如下。
首先为工程添加新的设计文件，选择“New Source…”，如图10.23所示。
图10.23 新建IP核设计文件
在弹出的对话框里面选择创建IP（CoreGen & Architecture Wizard）类型文件，并为该文件设置文件名及路径，单击“Next”按钮，如图10.24所示。
图10.24 选择IP核类型
在选择IP核类型对话框中选择“Dual Port Block Memory 6-1”，即可生成一个双口RAM。单击“Next”按钮进入双口RAM设置向导，如图10.25所示。
在该向导中，要对该双口RAM的属性进行设置。
图10.25 双口Block Memory设置向导
如图10.25所示，WidthA、WidthB分别为写入两个口的数据的位数，Depth为容量，在这里设为100，实际中只用到20个。对A口，上电复位后，就将20个数据写入A口，因此A口设为Write Only，对于B口，FPGA向PC机发送数据时从B口读取数据，因此B口设为Read Only，设置完毕后单击“Generate”按钮即可。
10.6.4 FPGA代码的设计实现
整个代码采用了4个状态机来实现，其中两个状态机用于从串口读取数据，另外两个用于向串口写入数据。下面以从串口读取数据为例来说明状态机的工作过程。
从串口读取数据的两个状态机主要完成如下功能：从串口接收到字符，并判断是不是E4H、00H（自定协议规定的内容），如果是，就给出Response（应答）信号，通知发送数据状态机开始向PC机发送数据。
这两个状态机，一个为主状态机，用于连续从串口读取数据；一个为辅状态机，用于从串口读取一个字节的数据。由于串口接收数据是一位一位地接收，该状态机就控制从串口接收所有位，并将结果存入一个8位的寄存器。
当辅状态机接收到一个字符后，就给主状态机一个Received_char信号。主状态机判断是不是E4H信号，如果是，就跳到下一个状态，等待辅状态机接收下一个字符；如果下一个接收到的字符是00H，那么就给出Response信号。
系统状态图如图10.26所示。
图10.26 系统状态图
状态机描述是一种非常好的方法，用户可在此基础上加以修改，用于自己的实际设计当中。单个字符接收的状态机如图10.27所示。
图10.27 单字符接收状态机
对于发送数据的两个状态机，其工作机理与上面相同，不再赘述。详细设计参考实例代码。
10.6.5 波特率的设定
串口通信必须要设定波特率。本设计中采用的波特率为9600kbit/s，采用的时钟为50MHz，相当于传送一位数据需要约5028个时钟周期。这里采用减法计数器来控制，即计数器计到5028个时钟周期后，就开始传输下一位数据（也可以通过对时钟分频来实现）。
10.6.6 ModelSim仿真验证
FPGA从串口接收数据仿真结果，如图10.28所示。
图10.28 从串口接收数据仿真结果
rxd为模拟PC机发出的E4H、00H信号。从图中可以看到，当FPGA收到这两个信号后，给出了Response脉冲。发送状态机收到该信号后，给出txd的低电平信号，通知PC机要开始发送数据了。
如图10.29所示，txd为FPGA向PC机发送的数据。发送状态机收到Response信号后，给出txd低电平信号，开始发送数据。先发送应答信号E4H、E1H，之后开始发送开始写入BlockRam的20个数，从0～19。图中raddr为BlockRam的地址，rdata为从BlockRam中读取的数据。
图10.29 SDRAM控制器仿真结果
在仿真时，为了显示方便，没有按照5028个时钟传输一位，而是4个时钟就传输一位。
10.6.7 小结
本节对数字系统中常用的UART控制器做了初步的介绍，并在Modelsim中实现了对SDRAM控制器的仿真，最后通过编译下载在红色飓风的开发板上实现了预定功能。
通过这个实例，读者能够掌握UART控制器以及RS-232C接口的设计实现方法，并学会将这个控制器集成到更为复杂的设计中去。
