一種基于FPGA和SC16C554實(shí)現(xiàn)多串口通信的方法

0　引言
??? 隨著電子技術(shù)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(qiáng)，其應(yīng)用領(lǐng)域日益增多，在數(shù)據(jù)實(shí)時采集及高速數(shù)字信號處理中應(yīng)用尤其廣泛。當(dāng)DSP獨(dú)立構(gòu)成一個處理單元時，往往需要和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其通信能力至關(guān)重要。在研制機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)時，信號處理機(jī)作為系統(tǒng)的核心要與飛控系統(tǒng)、穩(wěn)定平臺、雷達(dá)信號源以及導(dǎo)航系統(tǒng)等部分進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；如何實(shí)現(xiàn)其與其它部分之間有效的通信成為系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。串口通信因?yàn)槠浜唵?，可靠仍然是廣泛采用的方法之一。

1 串口擴(kuò)展方案選擇
??? 多串口通信常用的實(shí)現(xiàn)方案有兩種：一種是軟件實(shí)現(xiàn)，采用軟件編程模擬串口，該方法成本低，但編程復(fù)雜、開發(fā)周期長、可靠性低。另一種是硬件實(shí)現(xiàn)，使用多串口單片機(jī)或?qū)Ｓ么跀U(kuò)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(shí)現(xiàn)方案是采用通用異步通信芯片實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展，采用FPGA／CPLD實(shí)現(xiàn)DSP與異步串口擴(kuò)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(diǎn)是：當(dāng)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(shí)現(xiàn)方法--基于FPGA和通用異步通信芯片實(shí)現(xiàn)多串口通信設(shè)計。在不進(jìn)行硬件改動的基礎(chǔ)上，通過在FPGA內(nèi)建立一個緩存機(jī)制，實(shí)現(xiàn)接收串口芯片的數(shù)據(jù)，達(dá)到一定量時向DSP發(fā)送中斷讀取數(shù)據(jù)。該設(shè)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(yīng)速度，解決了數(shù)據(jù)丟失的問題。

2 硬件電路設(shè)計
??? 本設(shè)計采用通用異步通信芯片SC16C554來實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展。SC16C554主要特點(diǎn)有：
??? 1．有A、B、C、D四個通道獨(dú)立收發(fā)數(shù)據(jù)；
??? 2．最高傳輸速率可達(dá)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(shè)置傳輸數(shù)據(jù)的格式(數(shù)據(jù)長度，校驗(yàn)位，停止位)；
??? 5．具有可獨(dú)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(shí)現(xiàn)多串口通信的基本原理圖如圖1所示：

3 軟件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)
??? 系統(tǒng)實(shí)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(chǎn)生的最小時間間隔為65μs；因此在65μs的時間內(nèi)如果可以實(shí)現(xiàn)對四個通道分別進(jìn)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(shè)計
??? 即在FPGA內(nèi)部建立一個緩存機(jī)制。設(shè)計采用在FPGA內(nèi)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(dú)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(dāng)FPGA收到數(shù)據(jù)時，我們可以根據(jù)置通道標(biāo)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(yīng)的地址空間，并將該通道對應(yīng)地址線加一。當(dāng)該通道存儲數(shù)據(jù)量達(dá)到編程設(shè)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(nèi)一事先定義好的公共存儲空間寫入通道標(biāo)志字。當(dāng)DSP收到中斷后，首先訪問該公共存儲區(qū)讀取通道標(biāo)志字，判斷該中斷是由哪個通道產(chǎn)生的；然后調(diào)用相應(yīng)的接收函數(shù)從DPRAM內(nèi)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(jī)的設(shè)計
??? 一個完整的讀取串口數(shù)據(jù)操作需要進(jìn)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(yán)格的邏輯順序和時序關(guān)系，非常適合采用狀態(tài)機(jī)來描述；所以本設(shè)計采用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)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(zhuǎn)移圖。?

State0：空閑狀態(tài)，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)時狀態(tài)機(jī)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(biāo)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(zhǔn)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(nèi))，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(jī)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。完成一個通道的讀數(shù)操作需要四個狀態(tài)，當(dāng)四個通道同時工作時，狀態(tài)機(jī)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(shè)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(jìn)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(shè)計采用60MHz時鐘分頻出10MHz時鐘，在一個1OMHz時鐘周期(100ns)內(nèi)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(yīng)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(yuǎn)小于單個通道連續(xù)兩個中斷產(chǎn)生的時間間隔65μs；這樣有效解決了多通道工作時，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)的過程中其它通道中斷丟失的問題。如：當(dāng)讀通道A數(shù)據(jù)的過程中，通道B產(chǎn)生中斷請求；則狀態(tài)機(jī)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(jī)進(jìn)入下一個狀態(tài)(State5)進(jìn)行通道B的數(shù)據(jù)接收。

4 測試結(jié)果及分析
??? 我們分別對兩種方案進(jìn)行了測試，結(jié)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(jié)果
??? 比較兩種方案的測試結(jié)果可以得出以下結(jié)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(jié)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(jié)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(dá)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(shè)計性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于方案改進(jìn)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(shí)際工作的需要。

5 結(jié)束語
??? 基于FPGA接收數(shù)據(jù)的設(shè)計有兩個突出的優(yōu)點(diǎn)：1、極大提高了對串口中斷的響應(yīng)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(shè)置DSP中斷產(chǎn)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(shè)置存儲空間范圍內(nèi)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(qiáng)的可移植性，當(dāng)設(shè)計需要修改時，只需修改少量代碼，有效降低了設(shè)計周期。