基于FPGA 的UART 扩展总线设计和应用

摘要：现在嵌入式系统的功能越来越集合化,需要控制大量外设。外设模块普遍采用UART作为通信接口,但是通常处理器都会自带一个UART串口。实际应用中一个串口往往不够用,需要对系统进行扩展。本文所介绍的就是以FPGA为实现方式的UART扩展总线设备的逻辑设计以及相关的驱动程序的设计。

1 引言

在嵌入式领域，由于UART 具有操作简单、工作可靠、抗干扰强、传输距离远(组成 485 网络可以传输1,200 米以上)，设计人员普遍认为UART 是从CPU 或微控制器向系统的 其他部分传输数据的最佳方式，因此它们被大量地应用在工业、通信和家电控制等嵌入式领 域。而通常处理器都会自带一个UART 串口，实际应用中一个串口往往不够用，需要进行 UART 串口扩展。而本文在分析了片内总线技术和UART 的工作原理的基础上了实现UART 总线设备的设计，使主控芯片可以控制4~6 个外围设备。

本文中的嵌入式系统由AT91ARM9200 处理器、Linux 操作系统和ALTERA 公司的 ACEX 系列的EP1K 所组成。

2 EP1K 的逻辑设计

设计所要实现的功能是 AT91ARM9200 处理器通过EP1K 控制多个带有UART 接口的 外设。EP1K 中包含了多个逻辑模块如图1 所示，为了实现多个模块间的互联就需要片内总 线的支持，而本文采用的是WISHBONE 片内总线规范。

2.1 WISHBONE 总线设计

WISHBONE采用主从结构，也称之为SLAVE/MASTER 结构。主单元MASTER 是发起 与从单元SLAVE 之间的数据传输，MASTER 和SLAVE 通过握手协议来实现可靠通信的。

WISHBONE 总线架构提供了四种不同的互联方式：点对点（Point-to-point）、数据流（Data flow）、共享总线（Shared bus）和交叉开关（Crossbar switch）。为了实现单个MASTER 和多个SLAVE 的设计要求，同时要求总线结构占用较少的逻辑单元，所以采用了共享总线 的互联方式。

共享总线应包括 MASTER、SLAVE、INTERCON 和SYSCON 四个部分。MASTER 和 SLAVE 是实现总线信号与IP 核的信号转换，INTERCON 用于MATER 和Slave 的信号互联， 而SYSCON 则提供稳定的时钟信号和复位信号。总线逻辑结构如图2 所示，因为只有一个 MASTER，设计时就省略了对总线使用权的总裁。MASTER 的地址和数据总线分别与四个 SLAVE 相联，其它的控制信号也都是直接相连，而SLAVE 的选通是通过stb 信号实现。 SLAVE 的stb 信号是由地址译码产生SLAVE 选择信号s_sel、m_cyc 和m_stb 三个信号相与 的结果。所选通的SLAVE 将ack 信号置1 表明一个数据传输周期的正常结束并将数据锁存 或发送到总线上，而err 信号置1 表示非正常结束，rty 信号置1 表示要求数据重发。

图 2 WISHBONE 总线的逻辑结构图

总线的详细设计过程请参考 WISHBONE SoC Architecture Specification, Revision B.3，而 MASTER 和SLAVE 的设计可以参考OpenCores 的网站上相关设计。

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2.2 UART 的逻辑设计

UART 的通信协议十分简单，以低电平作为起始位，高电平作为停止位，中间可传输 5～8 比特数据和1 比特奇偶校验位，奇偶校验位的有无和数据比特的长度由通信双方约 定。一帧数据传输完毕后可以继续传输下一帧数据，也可以继续保持为高电平，两帧之间 保持高电平，持续时间可以任意长。

UART模块由SLAVE接口、波特率控制器、UART接收器和UART发送器构成。SLAVE 接口是为了实现WISHBONE 总线和功能模块之间的数据传输；UART 发送器的用途是将准备输出的并行数据按照基本UART 帧格式转为TXD 信号串行输出；UART 接收器接收RXD 串行信号，并将其转化为并行数据，但串并转换的时钟同发送器一样处理，收发设备间的时 钟是会累计的，会导致接收数据不正确，波特率控制器就是专门产生一个远远高于波特率的 本地时钟信号对输入RXD 不断采样，以不断地让接收器与发送器保持同步。

波特率控制器实际上就是一个简单的分频器。可以根据给定的系统时钟频率（晶振时 钟）和要求的波特率算出波特率分频因子。已算出的波特率分频因子作为分频器的分频数。 对于波特率发生器中的系数一般在FPGA 实现时往往是固定的，但对于不同的实现，这个 系数需要更改。波特率控制器产生的分频时钟，不是波特率时钟，而是波特率时钟的16 倍，目的是为了在接收事实进行精确地采样，以提出异步的串行数据。

UART 发送器由16 个字节FIFO 和信号发送器组成。FIFO 主要是起到数据缓存的作用， 信号发送器的核心部分由有限状态机实现的，实现伪代码如下：

case (状态机状态)

空闲状态：if ( FIFO 中有数据 )

状态机跳转到 FIFO 读取状态；

else

状态机保持空闲状态；

FIFO 读取状态：读取FIFO 数据，保存到移位寄存器；状态机跳转到开始位状态；

开始位状态：时钟计数，发送开始位；计数结束后状态机跳转到数据位状态；

数据位状态：时钟计数，发送数据，移位寄存器移位；计数结束后

if(移位寄存器内数据发送完毕)

状态机跳转到停止位状态；

else

状态机跳转到数据位状态；

停止位状态：时钟计数，发送停止位；计数结束后状态机跳转到 s_idle；

default：状态机复位到空闲状态;

endcase

UART 接收器包括了16 个字节FIFO、信号同步器和信号接收器三个部分。其中信号同 步器则是为了解决串行数据帧和接收时钟是异步问题，其它两部分和UART 发送器的中的 功能相似，只是数据传送的方向相反。

3 设备接口和驱动设计

3.1 设备接口设计

AT91ARM9200 芯片通过其静态存储控制器 (SMC)控制EP1K，而静态存储控制器 (SMC) 是控制外部静态存储器或外设的访问。 SMC 可编程地址达512M 字节。它有8 个 片选及一个26 位地址总线。16 位数据总线能配置与8 位或16 位外部器件连接。独立的读写控制信号允许存储器与外设直接连接。SMC 支持不同的允许单时钟周期存储器访问的访 问协议。它还提供外部等待请求能力。

因为 EP1K 内部设计使用的是8 位数据总线和8 位地址总线，所以AT91ARM9200 芯片与EP1K 相连的I/O 端口为 A[7:0]，D[7:0]，NRD 和NWR0。然而EP1K 内部采用 的WISHBONE 总线规范，其读写信号wb_we_o，高电平表示为写操作，低电平表示为 读操作。所以需要将NRD 和NWR0 进行相应的信号转换。而D[7:0]为双向端口IO， 所以在EP1K 的设计中采用三态门的设计。

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3.2 设备驱动设计

AT91ARM9200 上运行的是Linux 操作系统，EP1K 作为一个外接设备正常运行，就需 要相应的linux 驱动程序。我们将EP1K 的看作一个普通的字符设备，其关键是如何实现两 个不同工作频率的设备正确通信。而静态存储控制器 (SMC)提供的多等待状态管理，只要 根据具体时序对SMC 片选寄存器进行设置就可以了。此例中的SMC 同时还控制flash 存储 器、LCD 液晶显示器和其它外设，所以使用片选寄存器7，EP1K 的内部工作频率是6MHz， 为了使读写同步，设置插入36 个等待周期。具体代码如下：

其中at91_sys_write( )函数在include/arch/hardware.h 中，而且是在linux2.6 内核中才出现的。

Linux 的字符设备驱动分为设备初始化函数和设备卸载函数，并由内核宏module_init() 和module_exit()行进管理。

设备初始化函数首先要做的事情就是获取一个或多个设备编号。linux2.6 内核中提供了 静态和动态分配。如果在已知所需设备编号情况下，静态分配不失为一种较好的工作方式， 但是所选定的设备号若已分配给其它设备，就会造成冲突和麻烦。因此，建议采用动态分配 方式获取设备号。

同时使用 udev 在/dev/下动态生成设备文件，这样就避免使用命令或脚本创建设备文 件。管理类和类设备的相关内核函数：

struct class * class_create (struct module * owner, const char * name);

void class_destroy (struct class * cls );

struct class_device* class_device_create(structclass * cls, struct

class_device* parent, dev_t devt, struct device * device, const char * fmt, ...);

void class_device_destroy (struct class * cls, dev_t devt);

注意，以上函数是2.6.13 开始有的，在2.6.13 之前，应当使用class_simple 接口。

设备初始化函数随后的工作是建立字符设备，并将与具体字符设备的相关数据结构注册 的设备中，如字符设备的文件操作接口file_operations。还有就是调用at91_sys_write( )函数 完成静态存储控制器 (SMC)的寄存器配置和ioremap()函数完成设备地址到用户内存的映 射。设备卸载函数的工作就恰恰相反，它包括了管理类，类设备和字符设备的销毁，映射内 存和设备号的释放。

4 结束语

本文的设计应用于一个远程自动抄表系统，该系统由用户电能表和抄表基站以及 GSM 模块等部分组成。抄表基站的核心AT91ARM9200 处理器以静态存储控制器(SMC)与EP1K 相连，通过EP1K 实现的UART 扩展总线设备对用户电能计量表进行管理，最后抄表数据 由GSM 模块传给远端主机。此设计采用以FPGA 为实现方式试整个系统具有以下优点：1、 系统设计具有灵活性，可以根据实际情况添加UART 模块；2、有效的保证了系统的知识产 权；3、在EP1K 内部还可以添加其他通信模块，增强了系统的可扩展性。