EDA综合课程设计实验报告

EDA综合课程设计实验报告

题目：设计一个全双工UART电路院系：XXXX学院

学号：XXXXX

姓名：严XX

教师：林XX

时间：2012.06.02

1 课程设计的摘要原理 (2)

2 设计一个全双工UART电路，具体要求如下： (6)

3．UART设计 (7)

3.1 UART结构 (7)

3.2 UART的帧格式 (8)

4 UART的Verilog HDL语言设计 (9)

4.1 UART分频器 (9)

4.2UART发送模块 (10)

4.3 UART的接收模块 (14)

4.4 UART的硬件测试 (18)

5 课程设计总结 (19)

1摘要

UART协议是数据通信及控制系统中广泛使用的一种全双工串行数据传输协议，在实际工业生产中有时并不使用UART的全部功能。只需将其核心功能集成即可。波特率发生器、接收器和发送器是UART的三个核心功能模块，利用Vefilog-HDL语言对这三个功能模块进行描述并加以整合UART（即Universal AsynchronousReceiver Transmitter 通用异步收发器）是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。串行外设用到RS232-C异步串行接口，一般采用专用的集成电路即UART实现。如8250、8251、NS16450等芯片都是常见的UART器件，这类芯片已经相当复杂，有的含有许多辅助的模块（如FIFO），有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。或者设计上用到了FPGA/CPLD器件，那么我们就可以将所需要的UART功能集成到FPGA内部。使用VHDL或Veriolog -HDL将UART的核心功能集成，从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。本文应用EDA技术，基于FPGA/CPLD器件设计与实现UART。

实际应用上，有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。使用Verilog-HDL将所需要的UART的核心功能集成到FPGA／CPLD内部，就可以实现紧凑、稳定且可靠的UART数据传输。这样，既可以满足实际的应用，实现所要求的简单的通信和控制，又能够去除更多不需要的繁杂复杂的功能实现。

一、UART的原理

串行通信是指外部设备和计算机间使用一根数据线(另外需要地线，可能还需要控制线)进行数据传输的方式。数据在一根数据线上一位一位传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。与并行通信方式相比，串行通信方式的传输速度较慢，但这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，因此得到了广泛的应用。

基本的UART只需要发送和接收两条数据线就可以完成数据的全双工通信，其基本功能是在发送端将控制器通过总线传过来的并行数据，以设定的格式，设定的频率串行地传输出去，并同时在接收端将串行接收到的数据，转换成相应的并行数据发送出去。UART的基本帧格式如图1所示。其中，起始位总是逻辑O状态，停止位总是逻辑l状态，其持续时间可选为1位、1．5位或2位，其数据位可为5、6、7、8位，校验位可根据需要选择奇校验位，偶校验位或无校验位。

二、URAT整体结构的设计

2 设计一个全双工UART电路，具体要求如下：

1）支持数据格式：起始位（1bit）＋数据（8bit）＋奇偶校验位（1bit）＋终止位（1bit）

2）奇/偶校验可配置

3）可配置支持115200以下的常见波特率

4）支持115200以下的波特率自适应，自适应过程如下：

a.复位后，UART首先接收输入，不断自动调整波特率，直到以一定波特率

正确连续接收到3个bytes的0x55

b.接着UART以此波特率连续发送3个bytes 0xaa

c.之后两端以此波特率进行通信

d.波特率自适应只在电路复位后进行一次，如欲再次自适应波特率应对电路

再次复位

e.波特率自适应过程中不能对UART的波特率作任何设置，自适应完成后

可以对波特率作设置

5）自动计算校验位用于发送数据；对接收到的校验位和数据进行校验，发现错误应设置错误标志，并丢弃数据

6）对接收不正常数据（如无终止位、无校验位、数据位数不正确等）应能自动识别并设置错误标志、丢弃

3．UART设计

通常设计数字电路大都采用自顶向下将系统按功能逐层分割的层次化设计方法，这

比传统自下向上的EDA设计方法有更明显的优势(当时的主要设计文件是电路图)。因为由自顶向下的设计过程可以看出，从总体行为设计开始到最终逻辑综合，形成网络表为止。每一步都要进行仿真检查，这样有利于尽早发现系统设计中存在的问题，从而可以大大缩短系统硬件的设计周期。

UART（即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用异步收发器）是一种应用广泛的短距离串行传输接口。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。串行外设用到的RS232-C异步串行接口，一般采用专用的集成电路即UART实现。如8250、8251、NS16450等芯片都是常见的UART器件，这类芯片已经相当复杂，有的含有许多辅助的模块（如FIFO），有时我们不需要使用完整的UART的功能和这些辅助功能。或者设计上用到了FPGA/CPLD器件，那么我们就可以将所需要的UART功能集成到FPGA内部。使用VHDL 将UART的核心功能集成，从而使整个设计更加紧凑、稳定且可靠。本文应用EDA技术，基于FPGA/CPLD器件设计与实现UART。

3.1 UART结构

UART主要有由数据总线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送部分和接收部分等组成。本设计主要设计UART中最重要的发送部分和接收部分，结构如下图1

3.2 UART的帧格式

UART的帧格式如图2所示。