一種基于FPGA和SC16C554實現(xiàn)多串口通信的方

　　0　引言

　　隨著電子技術的飛躍發(fā)展，通用數(shù)字信號處理器(DSP)的性能價格比不斷提高，數(shù)據(jù)處理能力不斷加強，其應用領域日益增多，在數(shù)據(jù)實時采集及高速數(shù)字信號處理中應用尤其廣泛。當DSP獨立構成一個處理單元時，往往需要和外設進行數(shù)據(jù)交換，其通信能力至關重要。在研制機載合成孔徑雷達系統(tǒng)時，信號處理機作為系統(tǒng)的核心要與飛控系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺、雷達信號源以及導航系統(tǒng)等部分進行數(shù)據(jù)交換;如何實現(xiàn)其與其它部分之間有效的通信成為系統(tǒng)設計的關鍵。串口通信因為其簡單，可靠仍然是廣泛采用的方法之一。

　　1 串口擴展方案選擇

　　多串口通信常用的實現(xiàn)方案有兩種：一種是軟件實現(xiàn)，采用軟件編程模擬串口，該方法成本低，但編程復雜、開發(fā)周期長、可靠性低。另一種是硬件實現(xiàn)，使用多串口單片機或專用串口擴展芯片，該方法雖然成本較高，但是開發(fā)比較簡單，可靠性高。

　　目前比較通用的實現(xiàn)方案是采用通用異步通信芯片實現(xiàn)串口擴展，采用FPGA/CPLD實現(xiàn)DSP與異步串口擴展芯片之間的邏輯控制，完全基于DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。該方案的缺點是：當數(shù)據(jù)量較大、多串口同時工作時占用DSP的時間較長，影響DSP的工作效率，且會造成數(shù)據(jù)丟失。因此本文提出了一種新的實現(xiàn)方法--基于FPGA和通用異步通信芯片實現(xiàn)多串口通信設計。在不進行硬件改動的基礎上，通過在FPGA內建立一個緩存機制，實現(xiàn)接收串口芯片的數(shù)據(jù)，達到一定量時向DSP發(fā)送中斷讀取數(shù)據(jù)。該設計能極大減少對DSP的占用時間，提高了DSP的工作效率;同時提高了對串口芯片中斷請求的響應速度，解決了數(shù)據(jù)丟失的問題。

　　2 硬件電路設計

　　本設計采用通用異步通信芯片SC16C554來實現(xiàn)串口擴展。SC16C554主要特點有：

　　1.有A、B、C、D四個通道獨立收發(fā)數(shù)據(jù);

　　2.最高傳輸速率可達5Mbit/s，具有可編程波特率發(fā)生器，便于靈活選擇數(shù)據(jù)收發(fā)頻率;

　　3.具有16字節(jié)的收發(fā)FIFO，且有1、4、8、14字節(jié)四個可選擇的中斷觸發(fā)深度;

　　4.可通過編程設置傳輸數(shù)據(jù)的格式(數(shù)據(jù)長度，校驗位，停止位);

　　5.具有可獨立控制的發(fā)送、接收、線路狀態(tài)和MODEM狀態(tài)中斷;

　　6.充分分級的中斷系統(tǒng)控制，全面的線路狀態(tài)報告功能。

　　基于FPGA和SC16C554實現(xiàn)多串口通信的基本原理圖如圖1所示：

　　3 軟件設計及實現(xiàn)

　　系統(tǒng)實際工作所需波特率分別為9600、38400、115200、153600 。分析計算可得不同波特率發(fā)送數(shù)據(jù)時，連續(xù)兩個數(shù)據(jù)之間的時間間隔如表1所示：

　　由表1可知單個通道連續(xù)兩個中斷產生的最小時間間隔為65μs;因此在65μs的時間內如果可以實現(xiàn)對四個通道分別進行一次讀數(shù)據(jù)操作，即使是四個通道同時來數(shù)據(jù)也不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。

　　3.1 數(shù)據(jù)的存儲設計

　　即在FPGA內部建立一個緩存機制。設計采用在FPGA內部做一個雙端口RAM(DPRAM)，用來存儲串口數(shù)據(jù)，DSP通過訪問DPRAM得到接收的串口數(shù)據(jù)。

　　DPRAM指一個存儲模塊卻包含兩個獨立的端口，這兩個端口共用同一塊地址空間，兩個端口都可以向這塊空間里寫數(shù)據(jù)或從中讀取數(shù)據(jù)。DPRAM的讀寫數(shù)據(jù)的模式包括只讀、只寫、讀寫三種模式，其中讀寫模式又包括先寫后讀、先讀后寫、只寫不讀三種模式，我們采用先讀后寫的模式。

　　我們將DPRAM的地址空間分為四部分，分別用來存放四個通道的數(shù)據(jù)。當FPGA收到數(shù)據(jù)時，我們可以根據(jù)置通道標志寄存器CS[2：0]的值來判斷該數(shù)據(jù)來自哪個通道，將其存入對應的地址空間，并將該通道對應地址線加一。當該通道存儲數(shù)據(jù)量達到編程設置的觸發(fā)深度時，就將DSP中斷寄存器dspint置低，向DSP發(fā)送中斷;同時向DPRAM內一事先定義好的公共存儲空間寫入通道標志字。當DSP收到中斷后，首先訪問該公共存儲區(qū)讀取通道標志字，判斷該中斷是由哪個通道產生的;然后調用相應的接收函數(shù)從DPRAM內讀取該通道的數(shù)據(jù)存入指定的地址空間等待處理。

　　3.2 讀串口數(shù)據(jù)狀態(tài)機的設計

　　一個完整的讀取串口數(shù)據(jù)操作需要進行三次讀操作：讀中斷狀態(tài)寄存器(ISR)、讀線狀態(tài)寄存器(LSR)、讀接收保存寄存器(RHR)。由于這三次讀操作具有嚴格的邏輯順序和時序關系，非常適合采用狀態(tài)機來描述;所以本設計采用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)讀取串口數(shù)據(jù)。圖2為讀通道A數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉移圖。

　　State0：空閑狀態(tài)，當沒有數(shù)據(jù)時狀態(tài)機一直停留在空閑狀態(tài);

　　State 1：賦IsR寄存器地址給UART_A，置通道標志寄存器CS[2：O]=001(表示A通道);

　　State2：讀ISR，判斷中斷類型(04為接受數(shù)據(jù)準備好中斷)，賦LSR寄存器地址給UART、A;

　　State3：讀LSR，判斷是否有數(shù)據(jù)(LSR[0]=1表示有數(shù)據(jù)在RHR內)，賦RHR寄存器地址給UART A;

　　State4：讀RHR，讀取串口數(shù)據(jù)。

　　多通道工作時，可以通過增加狀態(tài)機狀態(tài)來實現(xiàn)。完成一個通道的讀數(shù)操作需要四個狀態(tài)，當四個通道同時工作時，狀態(tài)機的狀態(tài)需要增加到17個。其中Stare5~State8完成對通道B的操作;其中State9~State12完成對通道C的操作;其中State13~State16完成對通道D的操作。

　　3.3 讀時序設計

　　SC16C554的通用讀時序圖如下：

　　其中t6s=0ns t6h=0ns t7h=0ns t7d=10ns t7w=26nst9d=20ns t12h=15ns都為最小值，t12d max=26ns由圖3可以看出：對串口進行一次讀操作所需的時間T=t6s+t7d+t7w+t9d所以T最小為56ns。本設計采用60MHz時鐘分頻出10MHz時鐘，在一個1OMHz時鐘周期(100ns)內完成一次讀操作。用6 0 MH z時鐘同步一個計數(shù)器cscount[2：0]，在第一個6 0MH z時鐘的上升沿(cs_count=3’b000時)置CS為低，并賦對應的地址給UART A;在第二個60MHz時鐘的上升沿(cs_cout=3’b001時)置UART IOR為低;在第四個60MHz時鐘的上升沿(cs_count=3’b011時)置CS、UART IOR為高。這樣UART IOR有效時間為兩個時鐘周期(33ns)，且比CS延時一個時鐘周期(17ns)，完全滿足圖3讀時序的要求。

　　由圖2可知，由空閑狀態(tài)State0到完成一次串口數(shù)據(jù)的讀取，共需要500ns的時間。這樣多通道工作時連續(xù)完成四個通道的讀數(shù)操作共需2μs，遠小于單個通道連續(xù)兩個中斷產生的時間間隔65μs;這樣有效解決了多通道工作時，當讀取數(shù)據(jù)的過程中其它通道中斷丟失的問題。如：當讀通道A數(shù)據(jù)的過程中，通道B產生中斷請求;則狀態(tài)機完成通道A數(shù)據(jù)讀取返回到空閑狀態(tài)State0，檢測到INTB為高，狀態(tài)機進入下一個狀態(tài)(State5)進行通道B的數(shù)據(jù)接收。

　　4 測試結果及分析

　　我們分別對兩種方案進行了測試，結果如下：表2為完全基于DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信性能測試;表3為基于FPGA接收串口數(shù)據(jù)的通信性能測試。

　　波特率發(fā)送周期數(shù)據(jù)長度測試結果

　　比較兩種方案的測試結果可以得出以下結論：

　　1單通道工作時：兩種方案的通信性能是一樣的。

　　2多通道同時工作時：由表2測試結果可以看出，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量過大、或發(fā)送周期較小時，由于DSP對串口芯片中斷請求的處理速度問題就會造成數(shù)據(jù)丟失。由表3測試結果可以看出，四通道工作時，發(fā)送數(shù)據(jù)長度為64字節(jié)，通道發(fā)送周期最小可達10ms;如果發(fā)送數(shù)據(jù)長度減小，通道發(fā)送周期還可以更小。該設計性能遠遠好于方案改進前完全基于DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的性能;能滿足系統(tǒng)實際工作的需要。

　　5 結束語

　　基于FPGA接收數(shù)據(jù)的設計有兩個突出的優(yōu)點：1、極大提高了對串口中斷的響應速度，避免了多通道工作、完全基于DSP接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)大量丟失的情況;2、完全可編程設置DSP中斷產生條件，解決了原來串口芯片只有1、4、8、14字節(jié)四個觸發(fā)深度的限制，可編程設置存儲空間范圍內的任意字節(jié)的觸發(fā)深度，大大減少了DSP的中斷數(shù)量，提高了DSP的工作效率。另外程序具有較強的可移植性，當設計需要修改時，只需修改少量代碼，有效降低了設計周期。