基于FPGA的UART16550设计在EDA/PLD中的实现

简介：
本研究探讨了在EDA/PLD环境中利用FPGA技术实现UART16550的设计与应用，旨在提升通信接口性能和灵活性。 ### 引 言 UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）是一种用于控制CPU与串行设备通信的芯片，能够将由CPU传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流，并且可以将系统外部来的串行数据转换为字节供内部使用。它能够在发送的数据中加入奇偶校验位和启停标记，在接收时进行相应的验证与处理。 常见的UART型号包括INS8250、PC16450 和 PCI6550，其中PCI6550因其在发送和接收端均具备16字节深度的FIFO（先进先出）缓冲区而广受青睐。这种设计不仅提供了更大的速率匹配缓冲空间，还提高了CPU的使用效率，从而提升了系统性能。 UART16550的基本结构包括7个主要部分：CPU接口模块、波特率发生器、FIFO控制器、发送FIFO、接收FIFO、发送模块和接收模块。通过CPU接口模块配置参数，并利用波特率发生器设定通信速率。在数据传输过程中，发送模块负责将来自CPU的数据转换为串行格式后输出；而接收模块则监控输入端口并处理接收到的串行数据。 UART16550支持多种设置选项：如发送位数可选择从5到8位之间，奇偶校验方式可以选择无、奇或偶，并且停止位可以设定为1、1.5 或 2。波特率是衡量传输速度的重要指标，其计算公式为收发时钟频率 = N × 波特率（N通常设为16）。 此外，FIFO控制器管理发送和接收缓冲区的读写操作，并在达到阈值时触发中断通知CPU进行处理。UART还包括多个寄存器用于配置与控制：如接收缓冲寄存器(RBR)、发送保持寄存器(THR)、中断使能寄存器(IER)等。 基于FPGA实现UART16550设计需要考虑上述各个组件的逻辑设计，例如CPU接口模块处理指令解析和状态读取；波特率发生器确保可配置分频功能；以及智能管理发送与接收缓冲区以避免数据丢失或溢出。这些复杂的功能可以通过硬件描述语言（如VHDL 或 Verilog）进行定义，并通过EDA工具综合实现。 总之，基于FPGA的UART16550设计涉及多个关键技术点，包括CPU接口、波特率控制和FIFO管理等，其高效集成与优化对于高速低延迟串行通信至关重要。这不仅有助于降低成本还能根据具体需求灵活调整功能配置。