（电力电子与电力传动专业论文）通用异步串口的ip+core设计.pdf

武汉人学硕：十：学位毕业论文金鸿玲 2 0 0 0 2 1 8 3 2 0 1 0 a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n go fm i c r o e l e c t r o n i c sm a d et h ei n t e g r a t i o no fh a r d w a r em o r e a n dm o r ec o m p l e x i t y ，t h e s ed a y sw ea l w a y sd e s i g nas y s t e mo aac h i pt h i s p a p e r w ew i t a l ka b o u ta p a r to fas o cd e s i g n 一一t h ei po fu n i v e r s a l a s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r e a c hu a r th a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ： 5 8 d a t a b i t s ： 1 2s t o p b i t s ： e v e n ，o d d ，m a r k ，o rn o p a r i t y ； 1 6b y t et r a n s m i ta n dr e c e i v ef i f o s ： i n t e r r u p t sf o rr e c e i v ef i f of u l l ，h a l f f u l l ，a n dn o te m p t y ； i n t e r r u p t sf o rt r a n s m i tf i f oe m p t y ； f a l s es t a r tb i td e t e c t i o n ： f u l lm o d e mc o n t r 0 1s i g n a l s 仰u a r r ： c a p a b l eo f s p e e d su p t o1 5 i v l b st oe n a b l ec o n n e c t i o n sw i 吐lb l u e t o o t ha n do t h e r p e r i p h e r a l st h r o u g h au a r t i n t e r f a c e ； s i m i l a rt op e r s o n a lc o m p u t e ri n d u s t r ys t a n d a r d1 6 5 5 0u a r t ； w ea l w a y su s eat h r e e - w i r es e r i a li nt h es i n g l ec h i ps y s t e mh e r ew ew i l l d i s c u s sau a r ts i m i l a rt op e r s o n a lc o m p u t e ri n d u s t r ys t a n d a r d1 6 5 5 0u a r t ， w h i c hi n t e g r a t e dar e o e i v e r at r a n s m i t t e r ，1 6b y t et r a n s m i ta n dr e c e i v e f i f 0 s c a p a b l eo fs p e e d su pt o1 5 5 l b st oe n a b l ec o n n e c t i o n sw i t hm o d e m b l u e t o o t ha n do t h e rp e r i p h e r a l st h r o u g hah a r ti n t e r f a c e a n dw ec a nd i v i d e t h eb u sc l o c kr a t et oc r a t ed i f f e r e n tk i n d so fb a u dr a t e a n dw ea d d e dt h e i n t e r f a c et ot h ed m ac o n t r o l l e r ，s ow ec a nr e d u c et h ei n t e r a c t i o nw i t hc p u m o s to fa ll ，i fw en e e dn o tt h eu a r tw ec a ne l o s ei t sc l o c kt oc u td o w nt h e p o w e r o fc a u s e ，w ec a nw a k eu pt h eu a r ta n y t i m ew en e e d t h ed e s i g nm e t h o do fh a r d w a r ea r em u c hm o r ed i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a ld e s i g n ， h e r ew ew i l li n t r o d u c es o m e t h i n gi i k et o p d o w nd e s i g n sa n ds oo n k e yw o r d s u a r ts o ci pc o r e s t o p - d o w nd e s i g n 通用异步串口的1 p c o r e 设计2 武汉人学硕士学位毕业论文金鸿玲 图表目录 表卜i 集成电路技术发展简况、一 ， 图卜i集成电路的结构 图1 2 集成电路芯片设计整个过程框架 图i - 3通用异步串口与其他功能部件的连接， 表2 一l串行通信接口电路的核心芯片 图2 2d b 一2 5 和d b 一9 连接器， 表2 2d e c 公司的实验结果， 表2 - 3r s 一2 3 2 c 的接口信号， 表2 - 4r s 2 3 2 c 串口通信接线方法( 三线制) 图2 - 3o s i 协议 图2 - 4串行通信协议 图2 5起i l 式异步协议 图2 - 6面向比特的同步协议， 图3 - 1 u a r t1 6 5 5 0 的i p ， 表3 2串口的寄存器组， 图3 3发送数据程序流程框图 图3 - 4接收数据模块状态转移示意图 图3 5串口工作时被强制关断的仿真波形图， 图3 - 6串口工作时被强制关断一段时间后又被打开的仿真波形图 图4 1 形式验证的流程一 图4 2 用形式验证实现验证一 圈4 3u a r t 仿真波形图 图4 - 4o 3 8 0 n s 仿真结果 图4 - 53 8 0 7 4 0 n s 仿真结果 图4 - 62 4 6 0 2 5 2 0 n s 仿真结果 图4 - 73 5 7 0 、3 6 i o n s 仿真结果， 图4 83 6 0 8 3 6 4 4 n s 仿真结果 表4 一l门级综合的结果 翁 通用异步串口的i p c o r e 设计 、_ 矿。 o墙月坞坶珀毖船驰拍狮船约弘弘蚰蛆盯盯弱弱卯船的 武汉大学硕士学位毕业论文金鸿玲 2 0 0 0 2 1 8 3 2 0j o 第一章绪论 第一节、引言 课题背景 目前我国巨大的芯片消费市场绝大部分被国外芯片供应商所占有，国产芯片不 到所需总量的3 0 ，且多为低档芯片，在复杂的通信系统上。国产芯片所占比例更 少，从而造成每年要从国外大量进口芯片的窘境。为改变这种不利局面，加速我国 集成电路产业的发展，国务院颁布了鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政 策。2 0 0 1 年9 月1 7 日举行的全国集成电路行业工作会议全面落实了国务院这一产 业政策，部署了“十五”期间集成电路产业发展工作，确定了未来5 1 0 年中国集成 电路产业的发展战略，即：通过加强研究开发，加快产业重组，加大政策支持，建 设产业园区等措施，以芯片设计作为突破口，重点发展芯片设计和芯片制造业，大 大提高国内集成电路的设计、生产、供给能力，基本掌握集成电路核心技术开发能 力及主流生产技术的升级能力，从而建成根植于中国并在世界占有一席之地的集成 电路产业。当前，我国集成电路设计业面临难得的发展机遇。未来中国i c 设计业的 发展将呈现四个趋势：向规模经营的方向发展；向开发特色i c 产品的方向发展：向 基丁单元库和i p 核的正向设计方向发展 课题环境 2 0 0 2 年8 月中科院计算所系统结构室成功推出了第一款具有自主知识产权的3 2 位通用c p u 。目前，中科院计算所系统结构室正在研究开发龙芯二号6 4 位通用c p u 和北桥( 计算机的控制芯片组，集成了一些高速设备的控制电路，现已经通过f p g a 验证) ，进一步工作是将北桥和c p u 集成在一起的s o c 设计。本文u a r t 的i p 设 计就是北桥和s o c 的功能部件和虚拟验证环境中的一部分，作者很荣幸作为一个项 目合作者参与了这项工作。 系统芯片( s o c ) 是微电子技术发展的必然 微电子技术是上个世纪以来发展最为迅速的高新技术。1 9 4 8 年，巴丁布莱连 等人发明了世界上第一个晶体管。2 0 年后，1 9 5 8 年美国科学家在一块硅片上做成了 相移振荡器，该振荡器元件之间的连线不再是传统的导线，而是用了很薄的刻蚀获 得的金属条，这便是世界上第一块集成电路。1 9 6 7 年诞生了单片集成度在i 0 0 0 个 晶体管以上的集成电路，集成电路由中小规模进入大规模时期。2 0 世纪7 0 年代以 来，由于c m o s 工艺的发展，尤其是高密度短沟道c m o s 技术的发展，使得c m o s 器件 不仅具有很高的集成度，而且器件的工作速度达到甚至超过了t t l 电路的功能。1 9 7 7 年美国科学家在3 0 m m 2 的硅片上集成了1 3 万个晶体管，制作出了世界上第一块 d 醯、 盈亘掳 通用异步串口的i p c o r e 设计6 武汉大学硕_ j ：学位毕业论文金鸿玲 6 4 k b i t 的d r a w ，标志着集成电路跨入了超大规模( v l $ i ) 时代。集成电路微细加工的 最小尺度每三年提高一个数量级，集成规模每三年增加4 倍。8 0 年代，集成电路加 工的晶小尺度是微米级，9 0 年代初是亚微米( 0 5 u m l u m ) 级，现在时深亚微米( o3 u m 以f ) ，0 2 5 、0 1 5 u m 工艺已成为产品的主导工艺，最先进的微细加工工艺己达到 0l u m 。在深亚微米工艺中，连线引起的延时己与门电路的相当而不可忽略，传统的 设计方法必须予以改进，在加工尺度不断细化的同时，用以生产集成电路的硅片面 积不断扩大。现在集成电路中大量使用5 ”硅片，单片芯片的面积达到2 c m * 2 c m 的 尺度，集成电路已进入3 g 时代( 1 g = 1 0 9 ) ，即单片集成度达到l g 个晶体管，工作速 度达到1 g h z ，最高数据传输速率达到1 g b p s 。表1 - 1 回顾了集成电路技术发展的历 史。 表1 1集成电路技术发展简况 年份1 9 4 8 1 9 6 l 1 9 6 6 1 9 7 l 1 9 8 0 1 9 9 01 9 9 82 0 0 0 1 9 5 0 | 规模 晶体 分离 s s im s il s iv l s iu l s i g s i 管元件 理论集 1 0 1 0 01 0 1 0 3 1 0 3 1 0 5 1 0 6l o n1 6 球 成度 1 0 0 。 1 0 “1 0 91 0 9 每芯片 11 01 0 31 0 3 22 1 0 3 ) 5) 1 0 8 晶体管 集成度 * 1 0 35 1 0 5* 1 0 5 代表产二极门电路计数器8 位微 1 6 位、 图像s o c 高 管三触发器加法器处理器3 2 位处理档微 级管微处理器，处理 器器 s o c 由丁集成规模的扩大，原先由许多i c 组成的电子系统有可能集成在一个单片 上，构成所谓系统芯片( s y s t e m0 nc h i p ，简称s o c ) 。系统芯片与集成电路( i c ) _ 鳕蠡赫 通用异步串口的i p c o r e 设计 飞e 寡矿 7 武汉大学顺卜学位毕业论文金鸿玲 相比，不再是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集、处理、和输出等完整的 系统集成在一起，成为一个有某种应用目的的电子系统单片。 懿醴魄路 集战电路韵内部电路 图卜1集成电路的结构 有源区 电子系统传统的设计方法是在p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 级完成的。系统设 计人员利用某个i c 制造商生产的通用集成电路，在p c b 上构成系统，系统的调试也 在p c b 上进行。这种开发设计方法要求设计者具有丰富的硬件知识和调试能力，产 品开发周期长，投资较大，设计修改困难。此外，由于p c b 连线的延时、空间尺度、 重量和可靠性等的制约，整机性能受到很大的限制。如果能将整个系统最终集成在 一个单片上，无疑对于提高产品性能、缩小产品体积具有极大帮助。因而，s o c 是 电子系统开发设计的合理选择。 将一个完整的电子系统集成在单一的芯片上，必须采用i p 进行设计。i p 是由 专业的i p 提供者设计的完成一个子功能的经过验证并适于嵌入的电路模块。s o c 设 计技术包括i p 的设计技术和利用i p 设计s o c 两个方面。i p 有不同的层级。最高层 级的i p 是用硬件描述语言书写的软核，它是与工艺无关的，便于仿真和修改，可以 综合为面向不同工艺的满足不同约束条件的逻辑网表。网表级的i p 面向特定工艺。 层级最低的i p 是版图级的硬核，经过完全验证的版图，应用于指定工艺时具有完全 确定的性能。在设计方法学上，s o c 设计面临许多不同于a s i c 设计的新课题，例 如i p 的嵌入与互连，功耗分析及测试问题等。s o c 是从整个系统的角度出发，把处 理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个 缔 通用异步串口的i p c o r e 设计8 趣辱一 武汉大学硕士学位毕业论文金鸿玲 芯片上完成整个系统的功能。s o c 必须采用从系统行为级开始自顶向下( t o p d o w n ) 地设计。 t o p d o w n 设计方法 所谓t o p d o w n 设计方法，就是自顶向下的设计方法，这是一种从系统的概念出 发，最终到系统的物理实现，逐步细化的层次化设计方法。这种设计方法与传统的 电子系统设计方法不同。 图卜2 集成电路芯片设计整个过程框架 缔 通用异步串口的i p c o r e 设计 龟嘲心 武汉人学硕士学位毕业论文金鸿玲 电子系统的传统设计方法中，首先根据系统的要求，建立起系统框图，将整个 系统适当划分，然后从确定单元电路开始，沿着单元电路一部件一整机的过程进行样 机的设计、制作和调试。系统功能的测试必须待样机完成后( 也就是物理实现后) 才能进行。这种设计是从底层开始，按照由筒到繁、由底向上的步骤进行，称为 b o t t o m u p 设计方法。在设计的开始阶段。对系统的划分、部件功能的定义级相互 间的接口必须周密考虑。然而，由于认识的限制和一些不可预计的因素，同时由于 在样机实现之前，难以对部件和系统功能进行模拟和仿真，因此难免在设计过程和 样机制作过程中产生一些偏离设计要求的问题。需要在设计过程和样机试制过程中 不断修改完善，有时甚至推倒重来。显然这种设计方法要求系统设计人员必须具 备丰富的硬件知识和调试经验，设计修改比较困难，产品开发周期长，投资风险比 较大。 为了提高产晶研发的效率，减小投资风险，现代设计方法不再是从底向上进行， 而是由抽象到具体、由顶向下的进行。t o p d o w n 设计首先从系统的行为层开始，对 系统的模型和算法进行模拟和仿真，检验系统模型和算法是否正确。一般地说，目 前的e d a 工具还难以对行为层的描述进行逻辑综合。因此，在确认系统的模型或算 法正确后，应将系统的行为描述转化成可进行逻辑综合的r t l 级( 或者门级) 描述， 同时在这一层次进行模拟、仿真。r t l 描述被验证后，就可以在计算机平台上由e d a 工具自动进行逻辑综合和优化生成门级网表，并进行门级仿真和时序分析。上述 三个层次的设计工作统称为系统的前端设计，前端设计完成后，系统逻辑的设计 ： 作全部完成。后端设计是物理层的版图设计，包括布局、布线、版图参数提取、一 致性检查、后仿真和版图生成。在整个设计过程中，任何一个层次有问题，都可以 及时予以修改和完善。 层次化设计是设计大型电子系统的常用方法，一个完整的集成电子系统从概念 的提出到最后物理实现，可以分为如下几个设计层次，即系统级、行为级、寄存器 传输级( r t l ) 、逻辑门级、电路级和版图级。 版图级也称为物理级，是集成电路描述的最低层次。在版图级，以几何图形描 述晶体管、m o s 管、二极管、电阻、连线等元件，硬件的功能隐含于器件的物理特 性关系中。在这一层次，系统的功能由电路的微分方程描述。 电路级上面的层次是逻辑门级，也简称为门级，这是数字系统的主要层次。门 级设计中的基本单元是与门、或门、非门、三态门等各种门电路，以及少量的触发 器。门电路的互连方式构成了门级的结构描述，逻辑图和布尔方程是这一层次的主 要描述形式，门级描述也是硬件描述语言最低的层次。 门级之上的层次是寄存器传输( 或数据流) 级，这一层次的描述较之门级描述 更为抽象。在r t l 级设计中，大量采用触发器、寄存器、计数器、多路选择器、算 l 赫 通用异步串口的i p c o r e 设计1 0 、 武汉大学硕士学位毕业论文金鸿玲 术逻辑运算单元( a l u ) 等功能模块，这些功能快的规模比基本门电路单元要大得多， 冈而往往又把他们称为宏单元。r t l 级设计的结构描述是宏单元的互连，反映其功 能的是真值表和状态图。 寄存器传输级之上的层次是行为级，行为级又称为算法级，这一层次对系统功 能的描述是抽象的算法模型，或者是控制流图和数据流图。 描述电子系统功能的最高层次是系统级，在这一层次，系统行为的描述往往是 些性能指标。例如计算机的总线宽度、每秒执行指令的次数、数据的传输率等。 前端设计与工艺无关，而后端设计必须在某一确定的生产工艺下进行。 i p c o r e i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 内核模块是一种预先设计好的甚至已经过验证的具有 某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有几种不同形式。i p 内核模块有行为 ( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l ) 3 级不同程度的设计，对应有主要 描述功能行为的“软口内核( s o f t i pc o r e ) ”、完成结构描述的“固i p 内核( n u n i pc o r e ) ” 和基于物理描述并经过工艺验证的“硬i p 内核( h a r d 口c o r e ) ”3 个层次。这相当于集 成电路( 器件或部件) 的毛坯、半成品和成品的设计技术。 软i p 内核通常是用某种h d l 文本提交用户，它已经过行为级设计优化和功能验 证，但其中不舍有任何具体的物理信息。据此，用户可以综合出正确的门电路级网 表，并可以进行后续结构设计，具有最大的灵活性，可以很容易地借助于e d a 综合工 具与其他外部逻辑电路结合成一体，根据各种不同的半导体工艺，设计成具有不同 性能的器件。可以商品化的软i p 内核一般电路结构总门数都在5 0 0 0 1 以上。但是， 如果后续设计不当，有可能导致攘个结果失败。软i p 内核又称作虚拟器件。 硬i p 内核是基于某种半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺， 并已经过 j 艺验证，具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模 版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术。 固i p 内核的设计深度则是介于软i p 内核和硬i p 内核之间除了完成硬i p 内核所 有的设计外，还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节。一般以门电路级网表 形式提交用户使用。 v e r i l o gh d l v e r i l o gi t d l 是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级、到开关级的多种抽象 设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完 整的电子数字系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显示地进行 赫 通用异步串口的i p c o r e 设计 飞毡簖 武汉大学硕士学位毕业论文金鸿玲 时序建模。 v e r il o gh d l 语言具有f 述描述能力：设计的行为特性、设计的数据流特性、设 计的结构组成以及包含相应监控利设计验证方面的时延和波形产生机制。所以这些 都是用同一种建模语言。此外，v e r i l o g h d l 语言提供了编程语言接口，通过该接口 可以在模拟、验证期间从设计外部访问设计，包括模拟的具体控制和运行。 v e r i l o gh d l 语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、 方针语义。因此用这种语言编写的模型能够使用v e r i l o g 仿真器进行验证。语言 从c 编程语言中继承了多种操作符和结构。v e r i l o gh d l 提供了扩展的建模能力，完 整的硬件描述语言足以对从复杂的芯片到完整的电子系统进行描述。 电子设计自动化技术的发展 第一代e d a 工具在2 0 世纪7 0 年代中期投入实际应用，主要的功能是p c b 绘图、 版图绘图和图形编辑的计算机辅助设计，是物理层的e d a 工具。到了2 0 世纪8 0 年 代中，推出了第二代e d a 工具。第二代e d a3 1 具。除了能够进行物理级的计算机辅 助设计之外，还可以进行逻辑功能仿真、门阵列和标准逻辑单元版图的自动设计和 验证。人机交互采用图形语言，即电路输入的方法。2 0 世纪8 0 年代后期，e d a 迅速 发展，出现了一批著名的e d a3 - 具制造商，如美国的c a d e n c e ，m e n t o r ，s y n o p s y s ， v i e w l o g i c 等推出了一大批第三代e d a 工具。第三代e d a 工具不仅支持图形输入， 而且支持硬件描述语言输入，可以对用硬件描述语言设计的r t l 级的系统进行功能 仿真、时序仿真和逻辑综合，自动生成门级网表文件，进行门级功能仿真，并在此 基础上进一步进行自动布局布线、时序分析，形成p l d 编程所需的j e d e c 文件或自 动进行版图设计和验证、版图后功能仿真和时序分析，形成从设计输入( 包括原理 图输入、语言输入和状态图输入) 到设计验证( 包括功能仿真、时序仿真、设计规 则验证、版图验证、版图后仿真) 到设计实现( 包括优化、映射、布局部线、版图 生成) 完接的e d a 平台。这一代e d a 工具往往都可提供采用主流工艺制造的i c 标准 单元设计数据库，共版图设计和后仿真时使用。第三代e d a 工具是目前使用的主要 设计平台。2 0 世纪9 0 年代中期开始，致力于发展第四代e d a 工具，第四代e d a 工 具围绕着深亚微米工艺特点展开，试图在行为级对系统进行描述、模拟和综合，将 前端设计和后端设计以及测试融为一体。同时，研究开发模拟电路设计自动化技术。 第二节、概述 本文论述的串口i pc o r e 兼容1 6 5 5 0 系列串口产品，其驱动程序也可通用，是 功能比较完善的产品。该串口采用d b 9 转接器的接口连接。串口集成一个接收器， 一个发送器，设计特点是接收器和发送器各带有1 6 字娟位的缓存f i f o ，具有时钟 鲡通用异步串口的i p c o r e 设计 飞毡皑矿 2 武汉大学硕：i 学位毕业论文金鸿玲2 0 0 0 2j8 3 2 0 1 0 信号分频功能，因而可以多种波特率进行通信，最大通信波特率可达( 总线时钟1 6 ) 。 该设计的创新之处有以下几点：本串口设计实现了d m a 接口，只要系统有d 姒通道， 通过d m a 控制器可进行d 姒方式的读写。最重要的一点是该串口还具有休眠功能， 当系统需要时可把已关断的串口唤醒，使用灵活，并可降低功耗。 图卜3通用异步串口与其他功能部件的连接 本文将论述异步通用串口的i p 设计方法，并以该设计为例，阐述现代犬规模集 成电路的一些概念以及设计、验证方法及工具。该串口可以做成单功能的串口芯片 挂在总线上作为独立的功能部件，也可以将它集成到南桥、北桥( 计算机的控制芯 片组) 或者其他专用的芯片中( 只需将串口与总线的接口做相应的改动) 。从串口控 制器出来的信号加上一块电平转换芯片就可以直接接到d b 9 转接口工作了。 本设计采用s o c 设计流程实现了北桥( 计算机控制芯片组) 中的一个功能部件一 通用异步串口( u a r t ) 的i pc o r e 。s o c 设计和以往的硬件电路设计有很大的差别， 它采取了自顶向下的设计方法和当前流行的叻 工具，并且它们之间的关系是相互 依赖的，本文同时还将结合通用异步串口的i p 设计来阐述如何使用这些工具来做设 计和验证。并将探索s o c 设计中i p 的复用。 采用本i p 设计实现的串口组，采用i o 总线集成到北桥的设计里，通过了f p g a 验证，并设计了一个w i s h b o n e 总线接口的串口组并通过了仿真和综合。因此，可以 缔通用异步串口的i p c o r e 设计 1 3 飞两睇旷 武汉人学碗l 学位毕业论文金鸿玲 得到以f 结论：串口的i p 设计在功能上达到了设计的要求，并且该i p 模块是可以 复用的。 通用异步串行收发器u a r t 的设计已经是成熟的技术，有一些站点可以直接下 载到设计的源代码( 行为级的i p ) 。遗憾的是，这些设计中，其i p 核有很多灵活的 功能没有实现，作者根据实际需求实现了时钟分频功能，使串口可以多种速率收发 信号，井在模块中增加了串口和d m a 控制器的接口部分，还实现串口的休眠和唤 醒功能，从而可以使系统的功耗降到最低。综合生成的门级电路约为3 0 0 门( 触发器 单元1 。 本文第一章介绍了s o c 设计的发展过程及相关概念 本文第二章介绍了串口通信的协议； 本文第三章探讨了用硬件描述语言实现串口协议，结合各功能模块的划分和设 计，介绍了s o c 设计中i p 模块的设计方法。 本文第四章介绍i p 模块的仿真验证和综合方法，并对串口的i p 进行了仿真验 证和综合，通过仿真验证了该串口设计的功能符合设计要求。 本文第五章介绍了本设计的应用情况。并对本设计进行了总结。 缔 通用异步串口的王p c o r e 设计 飞电蛘一7 4 武泌大学硕士学位毕业论文金鸿玲 第二章串行通信协议 在一根传输线上既传送数据信息，又传送联络控制信息，这就是串行通信的最 首要的特点。串行通信的第二个特点是它的信息格式有固定的要求，分异步和同步 信息格式，与此相应，就有异步通信和同步通信两种方式。第三个特点是串行通信 中对信息的逻辑定义与t t l 不兼容，因此，需要进行逻辑电平转换。 串行通信接口标准 所谓通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传 送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方 必须共同遵守。因此，也叫做通信控制规程，或称传输控制规程，它属于 s o o s i 七层参考模型中的数据链路屡。 目前，采用的通信协议有两类：异步协议和同步协议。同步协议又有面向字符 和面向比特以及面向字节计数三种。 第一节、物理接口标准 串行通信接口的基本任务 ( 1 ) 实现数据格式化：因为来自c p u 的是普通的并行数据，所以接口电路应 具有实现不同串行通信方式下的数据格式化的任务。在异步通信方式下，接口自动 生成起止式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前 加上同步字符。 ( 2 ) 进行串一并转换：串行传送，数据是一位一位串行传送的，而计算机处理 数据是并行数据。所以当数据由计算机送至数据发送器时，首先把串行数据转换为 并行数才能送入计算机处理。因此串并转换是串行接口电路的重要任务。 ( 3 ) 控制数据传输速率：串行通信接口电路应具有对数据传输速率波特率 进行选择和控制的能力。 ( 4 ) 进行错误检测：在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位 或其他校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码，确定是否 发生传送错误。 ( 5 ) 进行t t l 与e i a 电平转换：c p u 和终端均采用t t l 电平及正逻辑，它们与 e i a 采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。 缔 通用异步串口的i p c o r e 设计 、 武汉大学硕士学位毕业论文金鸿玲 ( 6 ) 提供e i a r s 一2 3 2 c 接口标准所要求的信号线：远距离通信采用m o d e m 时， 需要9 根信号线：近距离零m o d e m 方式，只需要3 根信号线。这些信号线由接口电 路提供，咀便与m o d e m 或终端进行联络与控制。 串行通信接口电路的组成 为了完成上述串行接口的任务，串行通信接口电路一般由可编程的串行接口芯 片、波特率发生器、e i a 与t t l 电平转换器以及地址译码电路组成。其中，串行接 口芯片，随着大规模集成电路技术的发展，通用的同步( u s r t ) 和异步( u a r t ) 接口 芯片种类越来越多，如下表所示。它们的基本功能是类似的，都能实现上面提出的 串行通信接口基本任务的大部分工作，且都是可编程的。采用这些芯片作为串行通 信接口电路的核心芯片，会使电路结构比较简单。 表2 一l串行通信接口电路的核心芯片 同步( u s r t ) 异步( u a r t ) ( 起止 。传输速率b s ：芯片 面向字 符 h d l c 式) 同步异步 i n $ 8 2 5 05 6 k m c 6 8 5 0 ，1 m m c 6 8 5 2 ，1 5 m m c 6 8 5 41 5 m i n t 8 2 5 1 a6 4 k1 9 2 k i n t 8 2 7 3 ，6 4 k z 8 0s i o ，8 0 0 k 有关串行通信的物理标准 为使计算机、电话以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信建立了 几个一致的概念和标准，这些概念和标准属于三个方面：传输率，电特性，信号名 称和接口标准。 传输率：所谓传输率就是指每秒传输多少位传输率也常叫波特率。国际上规 定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率，标准波特率系列为1 1 0 、 3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、4 8 0 9 、9 5 0 0 和1 9 2 0 0 。大多数接口的接收波特率和发送波特率可 以分别设置，而且，可以通过编程来指定。 r s - 2 3 2 - c 标准： 叠通用异步串口的坤c 。n e 设计 m 武汉大学硕士学位毕业论文金鸿玲 在讨论r s 一2 3 2 c 接口标准的内容之前，先说明两点 首先，r s 一2 3 2 一c 标准晟初是远程通信连接数据终端设备d t e ( d a t at e r m i n a l e q u i p m e n t ) 与数据通信设备d c e ( d a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 而制定的。因 此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用 于计算机( 更准确的说，是计算机接口) 与终端或外设之间的近端连接标准。显然， 这个标准的有些规定和计算机系统的应用要求是不一致的，甚至是相矛盾的。有了 对这种背景的了解，我们对r s 一2 3 2 c 标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。 其次，r s 一2 3 2 c 标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在d t e 立场上，而 不是站在d c e 的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是c p u 和i o 设备之间 传送信息，两者都是d t e ，因此双方都能发送和接收。 本文只介绍e i ar s 一2 3 2 一c 标准( 简称2 3 2 ，r s 2 3 2 ) 。t t l 标准和r s 一2 3 2 - c 标 准之间的电平转换如图2 - i 所示。 r s 一3 2 3 c 标准对逻辑电平的定义 e i a r s 一2 3 2 c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 在t x d 和r x d 上：逻辑l ( m a r k ) = - 3 v 一1 5 v 逻辑0 ( s p a c e ) = + 3 + 1 5 v 在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上： 信号有效( 接通，o n 状态，正电压) = + 3 v + 1 5 v 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) 一3 v 一1 5 v 对于数据( 信息码) ；逻辑“1 ”( 传号) 的电平低于一3 v ，逻辑0( 空号) 的电平高于+ 3 v ；对于控制信号：接通状态( o n ) 即信号有效的电平高于+ 3 v ，断开 状态( o f f ) 即信号无效的电平低于一3 v 也就是当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路 可以有效地检查出来，介于一3 + 3 v 之间的电压无意义，f 氐于- i b v 或高于+ 1 5 v 的电 压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在( 3 1 5 ) v 之间。 e i a r s 一2 3 2 c 与t t l 转换： 赫 通用异步串口的i p c o r e 设计 飞铀蛘妒 武汉人学硕士学位毕业论文金鸿玲 i 、d )t ) 马 t 虹) 畸出避 4 贫衰 _ 鼍) 嘻_ 马 2 a ：j a r t d b 2 2 ( s 嬲l ) i ，l ，：刊r 1 1 ；“”。 搓座 s g 1 口o u 脚 o - 卜 !+ 5 ”r 3 、。逸覃 ：m c l 4 8 9 。辱 ， d 辄 毒缚 ：d8n 6 图2 - it t l 标准和r s 一2 3 2 - g 标准之间的电平转换 e i a r s 一2 3 2 c 是用正负电压来表示逻辑状态的，与1 v r l 以高低电平表示逻辑状 态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的t t l 器件连接，必须在 e i a r s 一2 3 2 c 与t t l 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可 用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如 m c l 4 8 8 、s n 7 5 1 5 0 芯片可完成t t l 电平到e i a 电平的转换，而m c l 4 8 9 、s n 7 5 1 5 4 可 实现e i a 电平到t t l 电平的转换。m a x 2 3 2 芯片可完成t t l 一一e i a 双向电平转换， 图2 一l 显示了1 4 8 8 和1 4 8 9 的内部结构和引脚。m e l 4 8 8 的引脚( 2 ) 、( 4 ，5 ) 、( 9 ，1 0 ) 和( 1 2 ，1 3 ) 接t t l 输入。；1 脚3 、6 、8 、1 1 输出端接e i a r s 一2 3 2 c 。m c l 4 9 8 的1 0 的 1 、4 、1 0 、】3 脚接e i a 输入，而3 、6 、8 、1 1 脚接t 1 l 输出。具体连接方法如图2 所示。图中的左边是微机串行接口电路中的主芯片u a r t ，它是t t l 器件，右边是 e i a r s 一2 3 2 c 连接器，要求e i a 高电压。因此，r s 一2 3 2 c 所有的输出、输入信号都要 分别经过m c l 4 8 8 和m c l 4 9 8 转换器，进行电平转换后才能送到连接器上去或从连接 器上送进来。 d b - 9 连接器 接1 3 的物理结构r s 一2 3 2 一c 接口连接器一般使用型号为d b 一2 5 的2 5 芯插头座 通常插头在d c e 端，插座在d t e 端一些设备与p c 机连接的r s - 2 3 2 一c 接口，因为不 使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信 号地”。所以采用d b 一9 的9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。电缆长度：在通信 速率低于2 0 k b s 时，r s 一2 3 2 c 所直接连接的最大物理距离为1 5 m ( 5 0 英尺) 。 l 通用异步串口的坤c 。n e 设计 武汉大学预士学位毕业论文金鸿玲 2 0 0 0 2 18 3 2 0 1 0 d b 土s 霎簿3 t量ts l d b - 夸 图2 2d b 一2 5 和d b - 9 连接器 传输电缆长度由r s 一2 3 2 c 标准规定在码元畸变小于4 的情况下，传输电缆长度应 为5 0 英尺，其实这个4 的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有9 9 的用户是按 码元畸变l o 一2 0 的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过5 0 英尺，美国d e c 公司曾规定允许码元畸变为1 0 而得出附表2 的实验结果。其中1 号电缆为屏蔽电缆， 型号为d e c p n o ，9 1 0 7 7 2 3 内有三对双绞线，每对由2 2 # a g 组成，其外覆以屏蔽网。2 号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为d e c p n o ，9 1 0 5 8 5 6 0 4 是2 2 # a w g 的四芯电缆。 表2 2d e c 公司的实验结果 波特率1 号电缆传输距离( 英尺)2 号电缆传输距离( 英尺) u o5 0 0 03 0 0 0 3 0 05 0 0 03 0 0 0 1 2 0 03 0 0 03 0 0 0 2 4 0 01 0 0 05 0 0 4 8 0 01 0 0 02 5 0 9 6 0 02 5 02 5 0 r s 一2 3 2 c 的接口信号 r s 一2 3 2 c 规定标准接口有2 5 条线，4 条数据线、1 1 条控制线、3 条定时线、7 条 各用和未定义线，常用的只有9 根，它们是： ( 1 ) 联络控制信号线： 编通用异步串口的i p c o r e 设计 飞_ 1 9 武汉大学硕士学位毕业论文金鸿玲 2 0 0 0 2 1 8 3 2 0 1 0 数据装置准备好( d a t as e tr e a d y d s r ) 有效时( o n ) 状态，表明m o d e m 处于可以使用的状态。 数据终端准备好( d a t as e tr e a d y d t r ) 有效时( 0 n ) 状态，表明数据终 端可以使用。 这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效， 只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信 要由下面的控制信号决定。 请求发送( r e q u e s tt os e n d - r t s ) 用来表示d t e 请求d c e 发送数 据，即当终端要发送数据时，使该信号有效( o n 状态) ，向m o d e m 请求发送。它用来控制m o d e m 是否要进入发送状态。 允许发送( c l e a rt os e n d - c t s ) 用来表示d c e 准备好接收d t e 发来的数据。是对请求发送信号r t s 的响应信号。当m o d e m 己准各 好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端 开始沿发送数据线t x d 发送数据。 这对r t s c t s 请求应答联络信号是用于半双工m o d e m 系统中发送方式和接收方 式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统 中，因配置双向通道，故不需要r t s c t s 联络信号，使其变高。 接收线信号检出( r e c e i v e dl i n ed e t e c t i o n r l s d ) 用来表示 d c e 已接通通信链路，告知d t e 准各接收数据。当本地的m o d e m 收 到由通信链路另一端( 远地) 的m o d e l l l 送来的载波信号时，使r l s d 信号有效，通知终端准备接收，并且由m o d e m 将接收下来的载波信 号