（微电子学与固体电子学专业论文）支持irda10协议uart的ip软核的设计.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重中明：本人所呈交的学 位论文是我个人住导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外论文巾不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的t 作的任何贡献均已在论文中作r 明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若何不实之处，由本人承担一切相炎责任 论文作者签名：童￥盏j 蛳乡月叫h 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生任 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件允许论文被查阅 或借阅；学校町以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文， ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：翅监鱼 导师签名： 摘要 学科名称： 指导老师： 研究生： 支持i r d a l 0 协议u a r t 的i p 软核的设计 微电子学与固体电子学 识趣l 答辩日期：溯；，? ? 摘要 论文针对目前信息技术的发展和开发有自主知识产权的i p 核的迫切需要，结 合数据通讯的实际应用，设计了一个支持红外协议( i r d a l 0 ) 的u a r t 的i p 软核。 该软核既可以单独使用也可集成到系统级芯片中。此i p 软核的开发，对于我国 开发和完善拥有自主知识产权的i p 核库有着重要的实用价值和借鉴意义。同时支 持多传输协议接r q 的u a r t 软核，因其用途广泛，需求数量大也具有巨大的商业价 值。 本课题采用t o p _ d o w n 设计方法学，通过对系统按功能划分模块来进行设计。 先对各功能模块进行设计、模拟、验证，再对整个系统组合起来进行模拟、验证， 最后利用f p g a 进行硬件验证。结果表明设计正确功能良好。完全满足工业应用 的需要。 全文共分六章，其中第三章、第四五章和第五章是本文的重点。主要阐述了课 题研究的方法、内容和结果。 第一章，论文通过分析目前国际、国内集成电路发展的现状和支持多通讯协议 接口在数据通讯领域的广泛应用以及拥有自主知识产权的i p 核的重要性，论证了 设计一个支持红外协议的u a r ti p 软核的实际学术意义和经济意义。 第二章，详细介绍了u a r t 的工作原理和相关的红外通讯协议。 第三章，按照设计思想，阐明具体设计该系统。首先阐述了设计的u a r t 的主 西安理工大学硕士学位论文 要功能指标：接着介绍了所设计的u a r t 的各种功能和不同的工作模式：最后介绍 对系统划分模块以及设计这些功能模块。 第四章，给出了各功能模块的功能和时序仿真图结果证明设计的正确性。 第五章，详细介绍了基于f p g a 硬件验证的设计和验证方法。主要的步骤包括： 系统设计，模块设计，功能仿真、时序仿真和硬件验证。系统设计是基于u a r t 的 实现算法和设计指标要求，对系统划分模块以及各个模块的信号连接：模块设计是 设计出每个模块的功能，并用v e r i l o g h d l 语言编写代码来实现模块功能：功能 仿真和时序仿真使用的工具是c a d e n c e 的n c v e r i l o g ，首先对系统的每个模块进 行功能和时序仿真，仿真通过之后将整个系统的代码在外部的输入端口加上激励， 对整个系统进行功能和时序仿真：硬件验证是用f p 6 a 对系统进行了功能验证。使 用x i l l i n x 的f p g ax c 2 s 5 0 p 0 2 0 8 ，经过f p g a 的实现流程，把配置文件配置到 x c 2 s 5 0 p q 2 0 8 ，搭建了一个验证系统，通过单片机来对各控制寄存器写入控制字来 控制系统的工作状态，用逻辑分析仪采集输出的信号。功能验证的结果表明本设计 完全实现了设计所规定的指标。 第六章，总结了课题所作的工作和取得的成果，也对在课题进行中一些心得进 行了总结，最后进行了课题展望。 关键词：通用异步接收发送器( u a r t ) i p 软核红外协议( i r d a i 0 ) f p g a 验 证 垒! ! ! 翌! ! i ps o f tc o r ed e s i g no fu a r ts u p p o r t i n gi r d a 1 0 s p e c i a l i z e ds u b j e c t ：m i c r o e 1 e c t r o n i c sa n d s o l i de l e c t r o n i c s a d v i s o r ：、刈劭嘶加a 历册 g r a d u a t es t u d e 7 n t ：h 忆j v i 锄d a t a ：w 吖，；- 矿 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ea n x i o u sr e q u i r e m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e w i d e a p p l i c a t i o no f d a t ac o m m u n i c a t i o n ，i ps o f tc o r eo f u a r ts u p p o r t i n gi r d a1 0p r o t o c o l i sd e s i g n e d a n di tn o to n l yc a nb ea p p l i e da sam o d u l e ，b u ta l s oc a nb ew i d e l ya p p l i e d i ns y s t e ml e v e lc h i pd e s i g n t h ed e s i g no fi pc o r ei st h em o s tp r a c t i c a l l yu s e f u la n d r e f e r e n t i a lf o rd e v e l o p i n ga n dp e r f e c t i n gi pc o r es t o r ei no u rc o u n t r ym o r e o v e r , t h ei p s o f tc o r eh a sal a r g ee c o n o m i cm a r k e t t h ep r o j e c tu s e “t o p d o w n t e c h n o l o g yt o d e v e l o pc o r eb yd i v i d i n gu a r t a c c o r d i n gt oi t sf u n c t i o n a tf i r s t ，d e s i g na n ds i m u l a t eo ns i n g i em o d u l e ，s e c o n d l y , o n t h ew h o l es y s t e m ，a tl a s tv e r i f i c a t i o nu s i n gf p g a t h er e s u l tp r o v e dt h ed e s i g ni s r e l i a b l ea n dp e r f e c to nf u n c t i o n t h e r ea r es i xs e c t i o n si nt h ew h o l et h e s i s t h et h i r d ，f o u r t h ，a n df i f t hs e c t i o n sa r e e m p h a s e so ft h ep r o j e c t t h e s es e c t i o n sm a i n l yd e s c r i b eh o wt od e s i g nt h ei ps o f tc o r e t h ef i r s ts e c t i o n ，t h en e c e s s i t yo fd e s i g n i n gt h ei ps o f tc o r eo fu a r ts u p p o r t i n g i r d a1 0p r o t o c o li sd i s c u s s e db ya n a l y z i n gt h ea c t u a l i t yo ft h ei cd e v e l o p m e n ta n d t h ea p p l i c a t i o no ft h ed a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dp r o v et h a ti th a ss c i e n c ea n d e c o n o m ys i g n i f i c a n c e t h es e c o n ds e c t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fu a r ta n di r d a l 0p r o t o c o li s a n a l y z e d d e e p l y t h et h i r ds e c t i o n ，h o wt od e s i g ni si n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h ei d e ao ft h ed e s i g n 西安理工大学硕士学位论文 a tf i r s t ，t h ef u n c t i o ni n d e xi si n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ed i f f e r e n tf u n c t i o na n dm o d eo f u a r ti si n t r o d u c e dt o o a tl a s t ，h o wt od i v i d et h eu a r ta n dh o wt od e s i g nt h es i n g l e m o d u l ea r ei n t r o d u c e d t h ef o u r t hs e c t i o n t h el a s ts i m u l a t i o nc h a t sa r eg i v e nt op r o v et h er i g h to fd e s i g n t h ef i f t hs e c t i o n ，t h ew h o l ep r o c e s so ff p g av e r i f i c a t i o ni si n t r o d u c e dp a r t i c u a l l y t h ew h o l es y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g nf l o w t h em a i np r o c e s si n c l u d e s f o l l o w i n g ：s y s t e md e s i g n ，m o d u l ed e s i g n ，f u n c t i o ns i m u l a t i o n ，t i m es i m u l a t i o na n d h a r d w a r ev e r i f i c a t i o n t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e sa n d e a c h m o d u l ei sc o n n e c t e db ys i g n a l s ，w h i c hb a s e do nt h ea r i t h m e t i co fu a r ta n dt h e r e q u i r e m e n to fd e s i g n t h em o d u l ed e s i g ni s t od e s i g ni n n e rc i r c u i ts t r u c t u r eo fe a c h m o d u l ea n du s e sv e r i l o gl a n g u a g et oc o d et h ec o d e t h ef u n c t i o n a la n dt i m es t i m u l a t i o n u s e st h en c v e r i l o go fc a d e n c e f i r s t ，e a c hm o d u l ei ss i m u l a t e d t h e n ，a f t e rt h er i g h t r e s u l tc o m e so u t ，t h ec o d eo fe a c hm o d u l ei sa s s e m b l e dt of o r mt h ec o d eo fw h o l e s y s t e ml a s t ，t h es i m u l a t i o ns i g n a li sa p p l i e do no u t e rp o r tt os i m u l a t et h ew h o l es y s t e m f p o ai su s e dt ov e r i f yt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m t h ef p g ac h i pu s e di s x c 2 s s o p q 2 0 8o fx i l i n xt h ec o n f i g u r e f i l ei sd o w n l o a d e di n t ot h ef p g ac h i p a c c o r d i n gt ot h ef p g ad e s i g nf l o w a l s oat e s ts y s t e mi ss e tu p ，a n dt h ew o r ks t a t u so f t h es y s t e mi sc o n t r o l l e db ys i n g l ec h i pt od o w n l o a dt h ed a t ao fi n i t i a lr e g i s t e r sa n d c o n t r o lr e g i s t e s r a n dt h el o g i c a la n a l y z e ri su s e dt os a m p l i n gt h eo u t p u ts i g n a l s t h e r e s u l t so f t e s ts h o wt h a tt h ed e s i g na c c o m p l i s h e dt h er e q u i r e m e n t sp e r f e c t l y t h es i xs e c t i o n ，s u mu pt h ew o r k s ，h a r v e s ta n dw h a to n eh a sl e a r n e d a n dg i v ea f u t u r ev i e wa b o u tt h ep r o j o c t k e yw o r d s ：i ps o f tc o r e ；u a r t ；i r d a ；f p g a 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 通用异步接收发送器u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r l 以资源简单，传输距离远，易于工程实施等特点得到 了广泛的应用。在嵌入式微处理器芯片的设计中，u a r t 已成为不可缺 少的一部分川。 u a r t 可以用于调制解调器m o d e m 手持工业设备条形码阅读器测 试设备和消费产品与计算机p c 以及小型网络之间的通信。在与不带有 u a r t 的微控器进行通信，只能通过软件实现，而软件实现价格高，花 费微处理机( m p u ) 时问。 i r d a l 0 是一种异步的，半双工的红外通讯方式。i r d a 即红外通 讯协会( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 的简写。i r d a l 0 以u a r t 为依托， 通过对串行数据脉冲的波形压缩( 3 1 6 宽度该脉冲) 和对接收的脉冲的 波形扩展实现红外数据传输( 2 1 0 i r d a 有着成本低廉，连接方便，简单易用和结构紧凑的特点，因 此在小型的移动设备中获得广泛的应用。随着移动计算和移动通讯设备 的日益普及，红外数据通讯进入一个发展的黄金时期。 i r 是一种点对点的传输方式，可以用在p c 及电器的周边设备上， 改有线为无线，i r 成本不高，但是能给改进后的电子设备带来的附加价 值却是很高。用于采用i r d a 协议的异步串行接口，支持多种串行接口 的u a r t 芯片成为最新发展趋势。 i p 核就是具有知识产权( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 的模块，i p 核的设计及 其复用成为集成电路设计的关键手段。随着片上系统和系统级设计出现， 软核只完成r t l 级的设计，是独立于工艺条件的h e , l 描述语言生成的 l 西安- e j ：大学硕士学位论文 源代码，使用者可以利用它针对不同工艺修改或重新综合设计，给后续 者提供了更大的创作空间，软核具有很大灵活性，成为i p 复用的主流。 目前，国内外关于i p 技术的研究刚刚起步，也是目前发展的热点， 应用于各个领域的i p 核都急待开发。因此，支持i r d a l 0 的u a r t 软i p 核研究无疑具有重要意义及实用价值。 本课题目的是结合通讯领域需求，开发支持i r i ) a 1 0 的u a r t 软i p 核。它可以方便、灵活地嵌入适合于接口专用集成芯片中，还可以重复 地利用，节省大量的研发时间。同时，它不仅可以用在传统标准串行异 步通讯，还可用在支持低速红外通讯的接口。 目前u a r t 芯片全部来自国外，大量的需要也使得国内独立开发的商 业开发价值很高。 1 2 课题相关技术与发展 1 2 1 集成电路的发展状况 最近3 0 年来，集成电路设计技术获得了飞速发展，已经历了小规模 集成( s s i ) 、中规模集成( m s i ) 、大规模集成( l s i ) 、到超大规模集成 ( v l s i ) 、特大规模集成( u l s i ) 。根据m o o r e 定律，单个芯片上的集 成度按平均每1 8 个月翻一番的速度提高。单芯片上集成度达到了上亿数 量的晶体管“1 。加工工艺也从微米级发展到深亚微米( d s m ) 甚至超深亚 微米级( v d s m ) 。2 0 0 3 年0 0 9 um 工艺已开始工业应用，说明深亚微米 ) o n c e 技术已经成熟并成为现在集成电路加工的主流工艺。随着器件特征 尺寸越来越小，单芯片上可以容纳的系统规模越来越大。再加上各种兼 容技术的开发，如数模混合技术、双极m o s 技术、计算机辅助设计、 加工技术等等，为系统设计提供了巨大的设计空间，集成电路的发展已 进入了片上系统，即s o c ( s y s t e mo i lac h i p ) 或称s l i ( s y s t e ml e v e li c ) 。 s o c 系统将原来由许多芯片完成的功能，集中到一块芯片中完成。 绪论 但s o c 不是各个芯片功能的简单叠加，而是从整个系统的功能和性能出 发，用软硬结合的设计和验证方法，利用i p 复用及深亚微米技术，在一 个芯片上实现复杂的功能。在进行s o c 设计时，可以用基于模块 ( b l o c k b a s e d ) 和基于平台( p l a t f o r m b a s e d ) 设计等方法“1 。 在s o c 设计中，平台可以被定义成一个软硬件集成的结构。此结构 满足一系列的结构限制条件，使软硬件模块可以被重用。具体来说，平 台是软、硬i p 模块及片上通信结构的结合体，一般还包括嵌入式c p u 、 实时操作系统( r t o s ) 、外围接口模块、中间件等。此外，还包括将此平 台应用于某一特定领域的适应性设计。 近年来，国家已经在集成电路产业上有了很大的动作，科技部于 2000 年启动了“十五”国家“8 6 3 ”计划超大规模集成电路s o c ( s y s t e m o nc h i p ) 专项工作。希望通过这一努力，初步建成具：有自主知识产权、 品种较为齐全和管理科学的国家级ip 核库，掌握国际水平的s0c 软硬件协同设计、ip 核复用和超深亚微米集成电路设计的关键技术。 目前己取得了一定的成果，我国ip 产业正在从概念阶段向实用阶段 过渡。 1 2 2i p 核及其复用技术 什么是i p ? i p 是i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 的英：之字母缩写，字面 上的意思是知识产权。在微电子领域中，i p 是指可用来生成 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t )和 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的逻辑功能块又称为i p 核 ( i p c o r e ) 及虚拟器件v c 。i p 在集成电路的设计和制造上有很重要的作 用，芯片内既可采用一种i p 核，也可采用多种i p 核，进而整合成具 有复杂功能的集成电路。随着微电子集成电路深亚微米工艺的出现和发 展，集成电路集成度的大幅度提高及设计容量和复杂度的飞速增 长，i p 的开发及复用就变得异常重要“”。 西安理工大学硕士学位论文 a i p 核分类及l p 软核的优点 按照a s i c 设计方法学的要求，需要完成行为级( b e h a v i o r ) 、结构级 ( s t r u c t u r e ) 和物理级( p h y s i c a l ) 三个领域的设计，根据i p 核描述的所 在集成电路的设计层次，或者说根据核优化的程度，i p 可分为硬i p 、 固i p 年口软i p 。 硬i p 的芯片中物理掩膜布局已得到证明，所有的验证和仿真工作 都己完成，用它可以直接产生硅片，系统设计者不能再对它进行修改。 而软i p 是以行为级或r t l 级的v e r i l o g 或v h d l 代码的形式存在，用 于描述功能块的行为，但是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行 为。软核可经用户修改，以实现所需的功能。它要经过逻辑综合及版图 综合才能最终实现在硅片上。囤i p 介于软核和硬核两者之间，是完成了 综合的功能块，比软i p 有更大的设计深度，已经完成门级综合、时序仿 真等设计阶段，以门级网表的形式提交使用。表卜l 为硬i p 核、固i p 核与软i p 核的对照。 硬i p 固i p软i p “硬”度 布局已确定门级阏表 贩码形式 模型化可作库元素已完成门级综 要与其它逻辑一 合、时序仿真 起综合 灵活性设计者不能修 设计可被修改设计可被修改 改 工艺不受约束 一个芯片上多 个硬核时，实 现的效率不高 预见性可保证电路时同一工艺库的 不能保证时序 序 固核之间，可保 实现之前不能进 址。 行充分的验证 绪论 一一 从表卜l 可以看出，硬i p 核已经完全优化到了某种半导体芯片工艺 上，系统设计师不能再对它进行修改。其优点是时序固定，并可在设计 期内当成库模块，缺点是设计师既不能用户化它的功能又不能调整它 的时序以满足整个芯片的时序要求。基于硬件描述语言( h d l ) 的软i p 核具有完全的技术独立性和灵活性，设计易被修改或可与其它多种技 术的i p 进行重复综合。软i p 的缺点是不能保证关键的时序，且它需 要为每种应用进行综合、布局和布线。 i p 软核具有如下几方面的特点： a ) i p 软核是知识产权的载体，是完整i p 库的基础。 b ) i p 软核由h d l 语言写成，可读性好、易于推广使用、易于升级、 具有很好的可持续发展性。 c ) i p 软核的应用可提高设计效率及设计质量，大大缩短产品的开发 周期，使超大规模的系统芯片设计成为可能。 d ) i p 软核的应用可在提高企业的技术实力和竞争能力、提高技术人 员水平、提高企业知名度方面带来显著的经济效益及社会效益。 b i p 核复用技术 i p 核可以单独作为一个功能模块使用，也可以集成到其它系统中。 在i p 核的设计r i _ l ，要注意到i p 核的可扩展性，在将其应用到不同 领域的时候，不需要进行大的变化，还要注意版权的保护，采用适当的 加密技术。基于平台设计时，还要注意到i p 库的合理的构架及稳定的i p 数据基础结构，以便于有效的具体化及i p 模块的快速查找。 i p 重用的一个重要的方面是i p 模块的标准化”1 。s o c 设计中，集 中了不同来源的各种i p 模块，这些模块有不同编程风格及不同的接口结 构，大大降低了i p 模块重复利用的效率。为了规范化接口，提高复用的 效率，虚拟接口插口联盟v s i a 相应而生，其目标是建立统一的系统级 芯片业的目标和技术标准，通过规定开放标准，方便多个来源i p 模块的 西安理工大学硕士学位论文 混合和珏配，加快s o c 的开发。同时加强各s o c 公司之间的协作，加快 s o c 基础设施的建设，解决支持下一代芯片的设计技术问题，协作消除 多厂商i p 重用中的障碍。 在以往的几十年里，我国ic 设计业一直面对着“或者设计出整个 奔腾，或者完全被排除在设计业之外”的尴尬局面。ic 设计业的最新 一轮分工为打破这种局面提供了一个适合我围国情的切入点，即中等 难度和设计规模的ip 。ip 产业的建立必将从国内和国际两个方面带 动我国ic 设计业。从国内方面看，我国屡次冲击高端ic 设计都不很 成功，原因之一是高端芯片的电路过于庞大和复杂：ip 库的建立则 把“系统集成”与“功能模块设计”分开，分散了设计难度和规模：根 据pc 机的经验，只要ip 阵容整齐，设计自主知识产权的高端芯片 产品将成为可能。从国际方面看，ip 产业是进入国际市场的最好切入 点：我国以电路算法著称，将算法与ic 设计结合成为ip 是我国力 所能及的，如果引导得当，甚至可望在“十五”期间成为ip 出口大国 从而结束我国ic 设计产业落后的态势。 1 4 课题主要工作及论文结构安排 本论文主要目的是设计一个支持i r d a 的u a r t 软核i p 。它支持可高 达各种标准异步串行传输速率的r s 2 3 2 协议和i r d a1 0 红外通信协议； 可编程串行接口字符；各种出错检验；独立的外部主时钟和接收时钟： 独立的传送、接收、现状态和疆数据中断控制；可编程波特率；全可编 程串行数据格式；内部诊断模式；全优先级中断系统控制。同时，对系 统采用了低功耗设计，降低了系统的功耗。 本课题的设计思路如图1 一l 所示。 绪论 图l 一1 设计流程 论文的章节内容安排如下： 第一章是绪论，介绍课题提出的背景，并针对存在的问题，提出本 文的研究意义和研究思路。 第二章阐述了本课题的理论基础，包括u a r t 的通讯原理、异步通讯 以及i r d a i 0 协议。 第三章详细说明了u a r t 软核的结构设计，包括系统设计和各个子模 块的设计。 第四章是u a r t 软i p 的功能模拟及时序仿真。对各个模块和整个 系统的代码进行了r t l 级功能模拟和时序仿真，给出了仿真图。 第五章利用f p g a 对系统验证。介绍了整个流程，并给出了验证结 果。 第六章是课题总结。总结了课题取得的成果、设计心得以及对课 题以后需进行的工作进行了展望。 毫 罾营罾 旦垒堕堡墨墨苎塾竺望垫堡塾 2 u a r t 原理及红外通讯协议 2 1u a r t 原理 通用异步接收发送器u a r t 用于将并行数据转换成串行形式；串行 输入时，又将串行形式转换成并行形式。图2 一l 显示u a r t 基本结构， 它的组成包括“”： d 7 d r e s e t r d u a r 接收移位i 数 q 篓 i 粥哥荇 寄存1 及1 一 据 、 总 。)线 、， 缓 _叫 冲 器 l 酬削纛 l 发送数发送移位 【 寄存器及 【椤辑j 叫 图2 一lu a r t 基本结构 1 ) 发送移位寄存器它从发送数据寄存器取得并行数据，经并行到并 行变换后，以发送时钟速率将数据逐位移出。 为了送数据到串行输出设备，微处理器将数据写入发送数据寄存器然 后由发送逻辑格式化数据，包括起始位、奇偶校验位( 如果有需要) 和要 求的停止位。格式化后的数据送到发送移位寄存器，然后按规定的波特率 串行输出。 发送数据的时钟频率应按要求的波特率设定，因此设定波特率就等于 设定传送数据的时钟频率。 西安理工大学硕士学位论文 2 ) 接收移位寄存器。它从串行输入设备取得串行数据，经串一并变换 后，送往接收数据寄存器。 在进行串行输入的数据传送时，串行输入设备通过u a r t 的串行输入 引线发送串行数据到u a r t 的接收器。一旦串行输入引线由高电平变到低 电平，接收器就把它解释为起始位，并把后续的位移入接收移位寄存器。 当接收一个完整数据后，就并行地送往接收移位寄存器，并通知微处理 器读取它。 3 ) 数据总线缓冲器。它是微处理器与数据寄存器交换的双向缓冲器。 4 ) 控制逻辑。这是一个u a r t 的内部的控制部件。它接收来自微处理机 的控制信号，执行微处理机所要求的操作，并输出状态信息和控制信 号。 u a r t 是利用外部时钟来和串行接收的数据同步的，外部时钟的周期 t c 和数据位周期t d 之间的关系为： t c = t d k ，其中k = 1 6 或6 4 若k = 1 6 ，在每一个时钟脉冲的上升沿采样接收数据线，若发现了 第一个“0 ”，以后又连续采样到8 个0 ，则确认它为起始位而非干扰 位，以后每隔1 6 个时钟脉冲采样一次数据线，作为输入数据，并移入接 收移位寄存器，直到位计数指示结束。接着u a r t 按规定格式对输入数据 进行检验，并根据结果设置u a r t 内部的状态寄存器。 为了使传送过程更可靠，在u a r t 中还没置了各种错误标志，常用 的有以下三种： 奇偶错误 在接收时，u a r t 检查接收到的每一个字符码中的“1 ，的个数，若 不符合要求，则置这个标志，发出奇偶校验出错信息。 帧错误 若接收到的字符格式不符合规定( 如缺少停止位) ，则置出错标志，发 出帧错误信息。 u a r t 原理及其红外通讯协议 溢出错误 u a r t 通常是一种双缓冲器结构，在接收时，一个数据已由串行变 为并行并已送至接收数据寄存器中时，接收移位寄存器就可以接收另一 个新的字符数据。倘若己接收到第二个字符的停止位，而要把第二个字 符送到接收数据寄存器中时，微处理器还未取走一个字符数据，于是就 会出现数据丢失，这时置溢出错误标志。 2 。2 通讯原理 微处理器与外部的信息交换称为通讯。基本的通讯方式有两种，如 图2 2 所示。 并行通讯 微 处 理 器 串行通讯 图2 2 并行通讯与串行通讯 并行通讯一个字节子数据的各位同时传送，字节子间串行传 送。以一次多位同时传送的i o 方法，其特点是传输效率高，但需要有 多根传输线，这在远距离的通讯中是不经济的。在远距离条件下，传送 数据的最经济的方法是采用串行通讯。 串行通讯数据一位一位地按时间先后顺序传送。这样，在传送一 个字节子数据时，每次将数据的一位发送至单根线上；或者反过来，从 单根线上每次一位地接收数据，然后拼成一个字节子数据。串行传送的 西安理工大学硕士学位论文 数据通常是按一定格式编码的，每一位都是持续一段时间的信号，称之 为串行数据。 采用串行i 0 的另一出发点，是因为像电传打字机、磁带机等这样 的设备需要串行通讯。 在串行通讯中，有两种最基本的通讯方式，即同步通讯和异步通讯。 1 同步通讯 同步通讯的基本特征是发送与接收时钟始终保持严格的同步，但它不 象并行通讯每次传送一个完整的字节或字，串行通讯只是每次传送其中的 某一位。因此，要让接收设备知道是那一位，就要进行同步。进行数据传 送开始的同步叫起始同步。通常，发送一方用- - n 两个同步字符指示每一 同步数据流的开始，用以保证发送和接收寄存器的初始同步，然后双方同 时开始计数。下面是一个同步字符的数据流格式： 布丽百呵两丽而= 一 诱f 十 第一个数据的第一位 进行传送的数据可以有一位奇偶校验位，每一数据可以由5 ，6 ，7 或 8 位组成。下面是用8 位数据位和l 位奇偶校验位组成的9 位数据： 奇偶校验位 8 位数据 同步通讯中，同步接收器在一次同步串行传送开始时，它进入“监视 同步字符串的所谓搜索方式”。一旦它检测到已知的同步字符后，就从这一 点开始按8 位计数。同步传输时要求发送一方不间断地连续发送数据，即 数据流的中间不可以产生断缺，否则就要产生错误。如果发送设备来不及 准备下一个要发送的数据，则在本数据发送完后，传送被填充进去的同步 u a r t 原理及其红外通讯协议 字符，直到下一个数据能传送时为止。在同步接收器接收完所有指定数据 后，又进入位串“搜索”方式，寻找下一次通讯的同步字符。 2 异步通讯 异步通讯既不需要同步字符，也不需要发送设备保持数据流的连续性。 可以准备一个数据发送一个，但要求发送的每一位数据都必须经过事前格 式化，在其前后分别加“起始位”和“停止位”，用以指示每一数据的开始 和结束，如图2 3 所示： 低位 高位 图2 3 异步串行数据格式 在异步串行数据传送中，在微处理器与外设之间有两项约定： 字符格式字符格式包括字符的编码形式、奇偶校验的形式以及起始 位和停止位的规定。例如，图2 3 中采用a s c i i 编码，字符代码为7 位， 加1 位奇偶校验、1 位起始位和1 位停止位，共1 0 位。 波特率( b a n dr a t e ) 所谓波特率就是数据传送速率的规定。例如，数 据传送的输率是9 6 0 字符秒，而每一个字符如按规定包含有1 0 个数据位， 则传送的波特率为： 1 0 x 9 6 0 = 9 6 0 0 位秒= 9 6 0 0 ( 波特) ， 则每一位的传送时间，即波特率的倒数，应为： t d = l 9 6 0 0 = o 1 0 4 m s 。 异步通讯中，由于要给每数据位加起始位、停止位，故传送效率不 及同步通讯高。但对接收与发送时钟的同步要求可以低一点，因为串行异 位始起个 一 下 位 闲空 睁止位 奇偶硷验 据数位 7 血始起 西安理工大学硕士学位论文 步通讯是基于下述事实，即接收器每次用起始位同步后，只要在一段短时 问内和发送串行位流保持同步即可。如果接收时钟在数据位的中间采样， 尽管接收时钟和发送时钟并未保持严格同步，但仍能保证一个数据的最后 一位的正确接收。 3 串行传送中的几个问题 i ) 数据传送方向 串行通讯中，数据在两个站之问是双向传送的，a 站可以作为发送端， b 站作为接收端，也可以b 站作为发送端，a 站作为接收端。通讯方式又 可以分为两种，即半双工方式和全双工方式。 半双工( h a l fd u p l e s ) 如图2 4 所示。在这种传送方式 中，在某一时刻，只能有一个站发送，即只能是由a 发 送到b ，或者由b 发送到a ，a 和b 不能同时发送。 图2 4 半双工示意图 全双工( f u l ld u p l e x ) 如图2 5 所示。在这种方式中， 两个站同时都能发送和接收。 图2 5 全双工示意图 i i ) 信号的调制和解调 计算机的通讯是一种数据信号的通讯，它要求传送线的频带很宽，而 在长距离通讯时，通常是利用电话线传送的，它不可能有这样宽的频带， 所以，若用数字信号直接通讯，经过电话传输线，信号就会畸变。 所以，发送端要用调制器( m o d u l a t o r ) 把数字信号转换成模拟信号， u a r t 原理及其红外通讯协议 用模拟信号在电话线上传送。接收端则用解调器( d e m o d u l a t o r ) 检测此模 拟信号，再把它转换成数字信号，这样接收端收到的仍是数字信号。 2 3 红外通讯协议 红外线是波长在7 5 0 n m 至l m m 之间的电磁波，它的频率高于微波 而低于可见光。是一种人的眼睛看不见的光线。 红外通讯一般采用红外波段内的近红外线，波长在0 7 5 u r n 至2 5 u m 之间。红外数据协会( i r d a ) 成立后，为了保证不同厂商的红外产品能 够获得最佳的通讯效果，红外通讯协议将红外数据通讯所采用的光波波 长的范围限定在8 5 0 n m 至9 0 0 n m 之内。 目前，无线电波和微波己被广泛地应用在长距离的无线通讯之中，但 由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要 短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输。 红外通讯有着成本低廉，连接方便，简单易用和结构紧凑的特点， 因此在小型的移动设备中获得广泛的应用。这些设备包括笔记本电脑， 掌上电脑，机顶盒，游戏机，移动电话，计算器，寻呼机，仪器仪表， m p 3 播放机，数码相机以及打印机之类的计算机外围设备等等。 要使各种设备能够通过红外1 2 1 随意连接，一个统一的软硬件规范是 必不可少的。但在红外发展早期，恰恰就存在这样的规范不统一的问题： 许多公司都有着自己的一套红外通讯标准，同一个公司生产的设备自然 可以彼此进行红外通讯，但不能与其他公司有红外功能的设备进行通讯。 当时比较流行的红外通讯系统有惠普h p s i r ，夏普a s k i r 和g e n e r n a l m a g i c 的m a g i c b e a m 等，虽然他们的通讯原理比较相似，但却不能相互 感知。混乱的标准给用户带来了很大的不便，并给人们造成了一种红外 通讯不太实用的错觉。 为了建立一个统一的红外数据通讯的标准，1 9 9 3 ，由h p ，c o m p a q ， 西安理工大学硕士学位论文 1 n t e l 等二十家公司发起成立了红外数据协会( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ， 简称i r d a ) ，1 9 9 3 年6 月2 8 日，来自5 0 家企业的1 2 0 多位代表出席了 红外数据协会的首次会议，并就建立统一的红外通讯标准问题达成一致。 一年后，i r d a 的红外数据通讯标准发布，即i r d a l 0 。 i r d a l 0 简称s i r ( s e r i a li n f r a r e d ) ，它是基于h p - s i r 开发出来的 一种异步的，半双工的红外通讯方式。s i r 以系统的异步通讯收发器 ( u a r t ) 为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信 号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程( 3 1 6e n d e c ) 实现红外数据传 输。在低速( 小于1 1 5 2 k b p s ) 的传输中，s i r 均将1 6 u s 的脉冲近似为 一位数据位脉宽的3 1 6 。由于受到u a r t 通讯速率的限制，s i r 的最高 通讯速率只有1 1 52 k b p s ，也就是大家熟知的电脑串行端口的最高速率。 其波形如图2 6 所示“”。 n r z ，1 5 2m b s a 5 7 6a n d 1 1 畿m b 趣 6u b 0 ln n丌 1 t 4 8 几几 nn 图2 6 u a r t 数据格式与i r d a l0 格式 1 9 9 6 年，i r d a 发布i r d a ll 标准，即f a s ti n f r a r e d ，简称为f i r 。与 s i r 相比，由于f i r 不再依托u a r t ，其最高通讯速率有了质的飞跃，可以达 到4 m b p s 的水平。f i r 采用了全新的4 p p m 调制解调f p u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ) ，即通过分析脉冲的相位来辨别所传输的数据信息，起通讯 原理与s i r 是截然不同。但f i r 在1 1 5 2 k b p s 以下的速率依旧采用s i r 的编码解码过程，所以它仍可以与支持s i r 的低速设备进行通讯，只有在 通讯对方也支持f i r 时，才将通讯速率提升到更高水平。 就象u s b 和i e e e1 3 9 4 技术一样，红外数据通讯的速率也在不断地 u a r t 原理及其红外通讯协议 攀升之中，继f i r 之后，i r d a 又发布了通讯速率高达1 6 m 的v f i r 技术 ( v e r yf a s ti n f r a r e d ) ，并将它作为补充纳入i r d a l 1 标准之中更高的通 讯速率使红外通讯在那些需要进行大数据量传输的设备上也可以占有 席之地。而不是仅仅是