基于FPGA的UART设计与实现.pdf

简介：
本文档详细介绍了在FPGA平台上进行UART接口的设计与实现过程，包括硬件描述语言编程、逻辑电路搭建及测试验证等方面的内容。 UART（通用异步收发传输器）是一种在微处理器与设备间提供简单串行通信的协议。它能将并行数据转换为串行形式发送，并把接收到的串行信号还原成并行格式。这种通讯方式无需额外时钟信号，因其以固定波特率进行信息交换，并通过起始位和停止位标记每一帧的数据边界。常见的UART波特率包括4800、9600及115200等。 在现代嵌入式系统中，FPGA（现场可编程门阵列）的应用日益广泛。这种集成电路允许用户根据需求定制其逻辑功能与互连结构。由于具备重新配置能力和高密度特性，FPGA非常适合实现如UART之类的硬件功能。相比采用NIOSII软核处理器来构建UART，在FPGA硬件资源中直接实施可以避免不必要的开销，并提升系统效率及性能。 在设计基于FPGA的UART时，通常会在发送和接收端各设一个深度为8个缓冲单元的FIFO（先进先出）缓存区。这些缓存区用于不同频率信号间的同步转换与数据暂存。时钟域转换是指为了匹配不同的时间基准，在同一芯片内部的不同模块间调整时钟信号的过程。 UART实现通常可以分为几个关键组件：发送器、接收器、输入输出FIFO缓冲以及波特率生成器。其中，发送器负责将并行数据变换成串行格式进行传输；而接收部分则处理接收到的串行信息，并将其恢复为并行形式。波特率发生器的任务是产生用于接收和发送模块所需的采样时钟信号。由于UART通信协议对时间精度的要求较高，设计者通常利用锁相环（PLL）或外部晶振提供一个稳定的高频基准频率，并通过分频得到所需的具体波特率。 根据实际需求可以灵活配置发送与接收的波特率参数。虽然使用FPGA内置IP核来实现FIFO能简化设计流程，但会降低移植性——更换芯片系列时可能需要重新设定原IP核的相关设置。因此，本方案建议独立构建非IP形式的FIFO模块，以此增强UART组件在不同型号上的兼容性和灵活性。 该基于CycloneIII FPGA平台验证过的UART系统符合串行通信标准，并且表现出高效与可靠的性能特征，支持多路同时通讯需求，在工业控制、数据采集及嵌入式开发等场景中为设计者提供了一种高性能低延迟的解决方案。