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異步串行通信接口的IP核設(shè)計(jì)
摘要：異步串行通信接口（SCI）因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、使用方便，因而在各類MCU、DSP和MPU芯片設(shè)計(jì)中獲得廣泛的應(yīng)用。本文給出一種以狀態(tài)機(jī)為控制核心、以數(shù)據(jù)流為執(zhí)行中心的異步串行通信接口IP核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用方法。此方法已在筆者所設(shè)計(jì)的DSP芯片中得到驗(yàn)證。引言
目前，基于傳統(tǒng)IC芯片的微電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)正在轉(zhuǎn)向基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP，Intellectual Property）核的片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip）技術(shù)發(fā)展。另外，IC設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展很快，各種規(guī)模的IC設(shè)計(jì)中心和公司不斷出現(xiàn)。因此，IP核的設(shè)計(jì)已開(kāi)始逐漸成為國(guó)內(nèi)微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)支撐技術(shù)。從應(yīng)用功能角度劃分IP核有兩大類：微處理器IP核（如8位8051核、32位ARM核等）和各種接口IP核（如LCD控制器、各種串行總線接口IP核等）。本文以異步串行通信接口（SCI，Serial Communication Interface）接口IP核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明SCI、UART、SPI、USB等接口IP核的設(shè)計(jì)方法。
SCI的通信方式采用標(biāo)準(zhǔn)NRZ格式來(lái)進(jìn)行外設(shè)間的異步數(shù)字通信。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)法，通常嵌入到DSP、MCU和MPU或外設(shè)控制芯片內(nèi)部，作為芯片的一個(gè)接口功能模塊。SCI通常由三個(gè)功能單元構(gòu)成：波特率脈沖產(chǎn)生單元、發(fā)送單元和接收單元。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在SCI數(shù)據(jù)收發(fā)中，數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)格式要比地址幀的數(shù)據(jù)格式復(fù)雜得多。在不同的通信方式下，數(shù)據(jù)幀的格式是不同 的。為此在發(fā)送器和接收器中各引入了與數(shù)據(jù)幀格式相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的控制。本文所介紹的就是基于這種設(shè)計(jì)思想的一種通用設(shè)計(jì)方法。
1 SCI數(shù)據(jù)發(fā)送單元
數(shù)據(jù)發(fā)送單元主要功能是完成數(shù)據(jù)的并/串轉(zhuǎn)換及發(fā)送，同時(shí)產(chǎn)生發(fā)送標(biāo)志位。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，字符發(fā)送狀態(tài)機(jī)如圖3所示。下面簡(jiǎn)要介紹發(fā)送單元各功能模塊及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
（1）TXD時(shí)鐘八分頻器
對(duì)基于波特率時(shí)鐘進(jìn)行八分頻，并輸出兩個(gè)基本脈沖—TXD_CLK_WORK（用于計(jì)數(shù)、移位等）和TXD_CLK_END（用于標(biāo)志位的生成和數(shù)據(jù)流輸出）。
（2）TXD狀態(tài)寄存器
通過(guò)此狀態(tài)寄存器設(shè)置通信控制寄存器2的兩個(gè)控制位—TXEMPTY和TXRDY位，以表示數(shù)據(jù)寫(xiě)入SCI_TXBUF和啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程。
（3）發(fā)送字符計(jì)數(shù)器
當(dāng)字符狀態(tài)機(jī)的輸出狀態(tài)為允許字符計(jì)數(shù)時(shí)，其開(kāi)始對(duì)發(fā)送的字符計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器值等于編程的字符數(shù)時(shí)，輸出TX_CHAP_REACH信號(hào)作為字符狀態(tài)機(jī)激勵(lì)，使之進(jìn)入非字符輸出狀態(tài)。
（4）發(fā)送空閑線計(jì)數(shù)器
當(dāng)字符狀態(tài)機(jī)進(jìn)入發(fā)送空閑線數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始工作。當(dāng)計(jì)數(shù)到一定值時(shí)，輸出信號(hào)TX_IDLECOUT_REACH作為字符狀態(tài)機(jī)激勵(lì)，使之進(jìn)入非空閑線數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)狀態(tài)。
（5）發(fā)送數(shù)據(jù)流的形成
在TXBUF2SHIFT的高電平脈沖作用下，在SCI_TXBUF中待發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)選擇器選擇指定位數(shù)的數(shù)據(jù)送入SCI_TXSHIFT低位，不足的高位清“0”。與此同時(shí)，TXWAKE數(shù)據(jù)也送到WUT寄存器，在地址位模式情況下，由ADDR_IDLE控制在WUT中形成地址位；并由SCI_TXSHIFT數(shù)據(jù)位、地址位和奇偶方式位三者邏輯或形成奇偶校驗(yàn)位。
（6）當(dāng)前發(fā)送字符狀態(tài)機(jī)
在啟動(dòng)、控制位、計(jì)數(shù)器溢出等激勵(lì)作用下，實(shí)現(xiàn)發(fā)送字符狀態(tài)的輸出和轉(zhuǎn)換。發(fā)送字符狀態(tài)機(jī)的激勵(lì)有：TXEMPTY（為“0”時(shí)啟動(dòng)TXD發(fā)送）、ADDR_IDLE（地址/空閑線模式選擇位）、PARENA（奇偶校驗(yàn)使能位）、STOPBIT（選擇1或2個(gè)停止位）、WUT（發(fā)送空閑位數(shù)據(jù)允許位）、TX_CHARCOUT_REACH（發(fā)送字符數(shù)目已夠位）、TX_IDLECOUT_REACH（發(fā)送空閑數(shù)目已夠位）。發(fā)送字符狀態(tài)機(jī)（見(jiàn)圖3）的狀態(tài)有：1為幀停止位（1位），3為幀第1停止位（2位），5為幀第2停止位（2位），8位幀起始位，9為待機(jī)狀態(tài)，A為幀數(shù)據(jù)位，B為空閑線模式起始位，C為幀地址位，E為幀奇偶校驗(yàn)位，F(xiàn)為空閑線模式停止位，D為空閑線模式計(jì)數(shù)0～7。
2 SCI數(shù)據(jù)接收單元
數(shù)據(jù)接收單元的功能是完成串行數(shù)據(jù)接收及接收標(biāo)志位的生成。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，接收起始位檢測(cè)和接收字符狀態(tài)機(jī)如圖5、圖6所示。
接收單元各功能模塊及狀態(tài)轉(zhuǎn)換說(shuō)明如下。
（1）RXD時(shí)鐘八分頻器
對(duì)波特率時(shí)鐘進(jìn)行八分頻，并保持其與所接收串行數(shù)據(jù)流的字符同步。其輸出兩個(gè)時(shí)鐘脈沖：RXD_CLK_WORK，用于計(jì)數(shù)、移位等；RXD_CLK_END，為數(shù)據(jù)流各種方式的停止位前一個(gè)字節(jié)時(shí)間段內(nèi)提供脈沖。
圖4 SCI數(shù)字接收單元
（2）起始位檢測(cè)模塊
是一種三位四狀態(tài)機(jī)。其激勵(lì)有兩個(gè)：RXD_1_VALUE—接收的串行數(shù)據(jù)流激勵(lì)；RXD_END_CHK—一次接收完畢的脈沖激勵(lì)。其狀態(tài)有如下幾種（見(jiàn)圖5）：0（待機(jī)狀態(tài)）、1（空狀態(tài)）、2（空狀態(tài)）、3（發(fā)現(xiàn)“1”到“0”的跳變狀態(tài)）、4（輸出時(shí)鐘同步信號(hào)）、5（字
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