支持IRDA10協(xié)議UART的IP軟核的設(shè)計

1、西安理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文支持irda1.0協(xié)議uart的ip軟核的設(shè)計姓名：胡茂文申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：微電子學(xué)與固體電子學(xué)指導(dǎo)教師：張華曹20040101摘要支持i r d a 1 . 0協(xié)議uart微電子學(xué)與固體電子學(xué)的ip軟核的設(shè)計學(xué)科名稱:指導(dǎo)老師:研究生：論文針對日前信息技術(shù)的發(fā)展和開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的ip核的迫切需要，結(jié)合數(shù)據(jù)通訊的實際應(yīng)用，設(shè)計了一個支持紅外協(xié)議（irda1. 0）的uart的i p軟核。該軟核既可以單獨使用.也可集成到系統(tǒng)級芯片中。此i p軟核的開發(fā)，對于我國廿發(fā)和完善擁有口主知識產(chǎn)權(quán)的i p核庫有著重耍的實川價值和借鑒意義。同時支持多傳輸協(xié)議接rq的uar

2、t軟核，因其用途廣泛，需求數(shù)量大也具有巨大的商業(yè)價本課題采用t o p_d o w n設(shè)計方法學(xué)，通過對系統(tǒng)按功能劃分模塊來進行設(shè)計。 先対各功能模塊進行設(shè)計、模擬、驗證，再対整個系統(tǒng)組合起來進行模擬、驗證， 最后利用fpga進行碩件驗證。結(jié)果表明設(shè)計正確.功能良好。完全滿足工業(yè)應(yīng)用 的需要。全文共分六章，其屮第三章、第四五章和第五章是本文的重點。主要闡述了課 題研究的方法、內(nèi)容和結(jié)果。第一章，論文通過分析目前國際、國內(nèi)集成電路發(fā)展的現(xiàn)狀和支持多通訊協(xié)議接口在數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的i p核的重耍性，論證了 設(shè)計一個支持紅外協(xié)議的uartip軟核的實際學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟意義。第

3、二章，詳細介紹了 uart的工作原理和相關(guān)的紅外通訊協(xié)議。第三章，按照設(shè)計思想，闡明具體設(shè)讓該系統(tǒng)。首先闡述了設(shè)計的uart的主西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文要功能指標(biāo)：接著介紹了所設(shè)計的uart的各種功能和不同的工作模式：最后介紹對系統(tǒng)劃分模塊以及設(shè)計這些功能模塊。第四章，給出了各功能模塊的功能和時序仿真圖.結(jié)呆證明設(shè)計的止確性。第五章，詳細介紹了基丁-fpga硬件驗證的設(shè)計和驗證方法。主要的步驟包括：系統(tǒng)設(shè)計，模塊設(shè)計，功能仿真、時序仿真和硬件驗證。系統(tǒng)設(shè)計是皋于uart的實現(xiàn)算法和設(shè)計指標(biāo)要求，対系統(tǒng)劃分模塊以及各個模塊的信號連接：模塊設(shè)計是設(shè)計岀每個模塊的功能，并用ve r i 1 o g-

4、hdl語言編寫代碼來實現(xiàn)模塊功能：功能仿真和時序仿真使川的工具是cadence的nc_v e r i log,首先對系統(tǒng)的每個模塊進 行功能和時序仿真，仿真通過z后.將整個系統(tǒng)的代碼在外部的輸入端口加上激勵，對整個系統(tǒng)進行功能和時序仿真：硬件驗證是用f p 6 a對系統(tǒng)進行了功能驗證。使用x i l l i nx的fpgaxc 2 s 5 0 p 0 2 0 8 ,經(jīng)過fpga的實現(xiàn)流程，把配置文件配置到xc2s50pq208,搭建了一個驗證系統(tǒng)，通過單片機來對各控制寄存器寫入控制字來控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，川邏輯分析儀采集輸出的信號。功能驗證的結(jié)果表明本設(shè)計 完全實現(xiàn)了設(shè)計所規(guī)定的指標(biāo)。第六章，

5、總結(jié)了課題所作的工作和取得的成果，也對在課題進行中一些心得進行了總結(jié)，最后進行了課題展望。關(guān)鍵詞：通川界步接收發(fā)送器(uart) i p軟核紅外協(xié)議(irdai. 0 ) f pga驗psoftcoredes i gnofuart support i ng i r d a 1 .why, : ->rg r a d u a t e s t u d e 7 n t ： h 憶 j v vji “ 鋤 d a t a ：刈劭嘶加a歷冊abstractaccordingtotheanxious r e q u i rementof the i nforma t iontechnology and

6、t h e w i d eappl icationofdatacommunication, ipsoftcoreofuartsupport ingirdal opro t o c o 1isdcsigncd andi tnotonlycanbcappl icdasamodulef butal socanbcwidelyappliedinsystemlevelchipdesign thedes ignofipcore i sthemostpract i c a 1 1 y u s e f u landreferentialfordevelopingandperfectingipcorestore

7、inourcountrymoreover, t h e 1 ps o f t c o r e h a s a 1 a rgeeconomi c m a r ke tt h e p r o j e c t u s e“top d o w n t e c h n o 1 o g y t o d e v e 1 o p c o reb yd i v i d i n g u a r taccordin gtoi t'sfunct ion .atfirst, des ignands imulatcons ingle module, seco n d 1 y , o nthe wholesyste

8、m, at lastveri ficat ionus ingfpga theresul tprovedthedesigni sr c 1 iablcandperfectonfuncti o nthercarcsixsectionsinthewholethesis .thcthird, fourth, andfi fthscc t i o n s a r eemphasesof theproj ect.theacscctiongmainly describe howtodcsignthelp softcore t h e f i r s t s e c t ion, thcnecess i t

9、y o f d e s igningthcipsof t co reofuartsuppo r t i n gi r d a 1 oprotocol i s d i scussedbyanalyzingtheactual i tyof thelcdcve 1 op ment a n dt h e a p p 1 icat ionof thedatacommuni cat iontechnology, andprovethat i thassci e n c e a n deconomysigni f i c a n c e thesecondsect ion» thep r i nc

10、 i p 1 eofuartand irda 1 oprotocol isanaly zedd e c p 1 y t h c t h i rdsection, howtodesigni sintroduccdaccordingtothcidcaofthcd e s i g n .西安理工人學(xué)碩士學(xué)位論文a t f i r s t, thefunct ionindexi sintroduccdsccondly, thedi ffcrcntfunct iona ndmodeofuarti s i nt roducedto o. a t 1 a s t , how tod i vide theua

11、rtandhowtodes i gnthes i ng 1 e modulcarcintroduccdthefourthsect ion thelastsimulationchartsaregiven toprove th erig htofdesignt h c f i f t h s e c t i on, the w hoi ep roccs soffpgave ri i i c u a 1 1 y .hedesignflow t h e m a i nprocess i n cf0 1 1o w i n g:s y stc md csign9modu1c d c sio n an dh

12、a r dw a reve r i fc at ion. thc w h01c s y sac hmo du 1 e isconn (? ctedby sgn a 1co f u a r tandth(1 u d e ss, which basedontheari thmet ir e q u ire m en t o fde s ig n t ho f e a chm 0 d u1e an d use sv e r io n a 1an dt i mes ti m u 1emoduledes i g n i s t o d e s i g nloglanguagetocodet a t i

13、o ni n n e r c i r c u i tstructureh e c o d e. thefunct iu s e s t h e n cv cri logofcadence first, eachmoduleissimulated. then aftertherightr e s u 1 tcomesout, thccodeof eachmodu 1 e i sa s sembl cdtof ormthecodcofwhol c systemlast. thesimulat ionsignal i s a p p 1 iedonouterporttosimulatethewho1

14、 e s y s i e mf p o a i susedtoveri f ythcfunct i o n o f thesystem thefpgach i pused i sx c2 s s0 p q 20 8 o f x111n x t he co nfi g uref11 e1s down1o ad ed in t0t he fp g a c h1pa c cordn g to t he f p g a d esi gnf 10w a 1s o at e sts y st emissetup9andthew 0rk s ta t us o fthes y ste m iscon t r

15、 o 1 1 edb ysi ng1 e ch i ptod0w n 1o ad t h edata0f i ni t ia 1re g is te r sandcont r o1regi s te s r andth e1o gc a 1ana1 y zcr i su sc d t osamp1i n gtheo utputs i gn a 1sther e s u 1ts 0f te s t s h ow thatt h i d es ign ac co m p1i she dt he r e q u i remen tsperfect 1 ythcsixsection, sumupt h

16、e works, harvestandwhatonchaslearncd .andgiv e afutureviewaboutthcprojoct keywo rd s： ipsoftcore； ua r t ； i r d a； f p g a1緒論1. 1課題的提出及研究意義通用異步接收/發(fā)送器u art (uni ve rsa 1 a synchronousreceiver/transmi t t e r 1以資源簡單，傳輸距離遠，易于工程實施等特點得 到了廣泛的應(yīng)用。在嵌入式微處理器芯片的設(shè)計中，uart已成為不可缺少的一部分川。u a r t可以用丁調(diào)制解調(diào)器m odem手持工業(yè)設(shè)備

17、條形碼閱讀器測試設(shè)備和消費產(chǎn)品計算機p c以及小型網(wǎng)絡(luò)z間的通信。在不帯有uart的微控器進行通信，只能通過軟件實現(xiàn)，而軟件實現(xiàn)價格高，花費微處理機(mpu)時問。i rda 1 . 0是一種異步的，半雙t的紅外通訊方式。irda即紅外通訊協(xié)會(inf rareddataassociat ion)的簡寫。i r d a 1 . 0 以 u a rt為依托，通過對巾行數(shù)據(jù)脈沖的波形壓縮(3/1 6寬度該脈沖)和對接收的脈沖的波形擴展實現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸(210irda有著成本低廉，連接方便，簡單易用利結(jié)構(gòu)緊湊的特點，w此在小型的移動設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。隨著移動計算和移動通訊設(shè)備的日益普及，紅外數(shù)據(jù)

18、通訊進入一個發(fā)展的黃金時期。i r是一種點對點的傳輸方式，可以用在pc及電器的周邊設(shè)備上，改有線為無線，i r成本不高，但是能給改進后的電子設(shè)備帶來的附加價值卻是很高。用于采用i rda協(xié)議的異步巾行接口，支持多種吊行接口的uart芯片成為最新發(fā)展趨勢。i p核就是具有知識產(chǎn)權(quán)(intel lectualproperty)的模塊，i p核 的設(shè)計及其復(fù)用成為集成電路設(shè)計的關(guān)鍵手段。隨著片上系統(tǒng)和系統(tǒng)級設(shè)計出現(xiàn)， 軟核只完成rtl級的設(shè)計，是獨立丁工藝條件的ii e, l描述語言牛成的西安一'ej：大學(xué)碩士學(xué)位論文源代碼，使用者可以利用它針對不同丁藝修改或巫新綜合設(shè)計，給后續(xù)者提供了更大

19、的創(chuàng)作空間，軟核具有很大靈活性，成為ip復(fù)用的主流。目前，國內(nèi)外關(guān)于i p技術(shù)的研究剛剛起步，也是目前發(fā)展的熱點，應(yīng)用于各個領(lǐng)域的i p核都急待開發(fā)。因此，支持i rda 1 . 0的uart軟i p 核研究無疑具有重要意義及實用價值。本課題目的是結(jié)合通訊領(lǐng)域需求，開發(fā)支持i r i）a 1 . 0的ua r t軟i p核。它可以方便、靈活地嵌入適合于接口專用集成芯片中，還可以垂復(fù)地利用，節(jié)省大量的研發(fā)時間。同時，它不僅可以用在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)串行異步通訊，還可用在支持低速紅外通訊的接口。目前u ar t芯片全部來自國外，大量的需要也使得國內(nèi)獨立開發(fā)的商業(yè)開發(fā)價值很高。1 . 2課題相關(guān)技術(shù)與發(fā)展12

20、. 1集成電路的發(fā)展?fàn)顩r最近3 0年來，集成電路設(shè)計技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，已經(jīng)歷了小規(guī)模集成（s s i ）、中規(guī)模集成（msi）、大規(guī)模集成（lsi）、到超大規(guī)模集 成（vlsi）、特大規(guī)模集成（u l s i ）。根據(jù)m o o r e定律，單個芯片上的集 成度按平均每1 8個月翻一番的速度提高。單芯片上集成度達到了上億數(shù) 量的晶體管“1。加工工藝也從微米級發(fā)展到深亞微米（dsm）甚至超深亞 微米級（vdsm）。2 0 0 3年0. 09 u m工藝已開始工業(yè)應(yīng)用，說明深亞微米 ）o n c e技術(shù)已經(jīng)成熟并成為現(xiàn)在集成電路加工的主流t藝。隨著器件特征 尺寸越來越小，單芯片上可以容納的系統(tǒng)規(guī)

21、模越來越大。再加上各種兼 容技術(shù)的開發(fā)，如數(shù)?；旌霞夹g(shù)、雙極mos技術(shù)、計算機輔助設(shè)計、 加工技術(shù)等等，為系統(tǒng)設(shè)計提供了巨大的設(shè)計空間，集成電路的發(fā)展已 進入了 片上系統(tǒng)，即 s o c （systemoi 1 a c h i p ）或稱 s l i （systemlev e 1 i c ） os 0 c系統(tǒng)將原來由許多芯片完成的功能，集屮到一塊芯片屮完成。但s o c不是各個芯片功能的簡單疊加，而是從整個系統(tǒng)的功能和性能岀發(fā)，用軟硬結(jié)合的設(shè)計和驗證方法，利用i p復(fù)用及深亞微米技術(shù)，在一個芯片上實現(xiàn)復(fù)雜的功能。在進行s o c設(shè)計時，可以用基于模塊(b 1 o c k . based)和基丁

22、平臺(platform, based) 設(shè)計等方法“總s o c廢計中，平臺可以被定義成一個軟硬件集成的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)滿足一系列的結(jié)構(gòu)限制條件，使軟硬件模塊可以被垂用。具體來說，平臺是軟、硬i p模塊及片上通信結(jié)構(gòu)的結(jié)合體，一般還包括嵌入式cpu、實時操作系統(tǒng)(rtos)、夕卜囤接口模塊、中間件等。此外，還包括將此平臺應(yīng)用于某一特定領(lǐng)域的適應(yīng)性設(shè)計。近年來，國家已經(jīng)在集成電路產(chǎn)業(yè)上有了很大的動作，科技部于2 0 0 0年啟動了“十五”國家“8 6 3”計劃超大規(guī)模集成電路s oc (sys t e mon c h i p)專項工作。希望通過這勢力，初步理成具：有自主知識產(chǎn)權(quán)、晶種較為齊全和管理科

23、學(xué)的國家級ip核庫，學(xué)握國際水平的s 0 c軟硬件協(xié)同設(shè)計、ip核復(fù)用和超深亞微米集成電路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。目前己取得了一定的成果，我國ip產(chǎn)業(yè)止在從概念階段向?qū)嵱秒A段過渡。12.2 1 p核及其復(fù)用技術(shù)什么是ip? ip是i ntellectualproperty的英：z字母縮寫，字面 上的意思是知識產(chǎn)權(quán)。在微電了領(lǐng)域中，i p是指可用來生成asic ( a p p 1 i c a t i o n s p e c i f icintegra tedci r c u i l)和p l d (programmab 1 e l o g i c d e v i c e )的邏輯功能塊.又稱為 i p

24、核(i pc o r e)及虛擬器件v co i p在集成電路的設(shè)計和制造上有很重耍的作用，芯片內(nèi)既可采用一種i p核，也可采用多種i p核，進而整合成具 有復(fù)朵功能的集成電路。隨著微電子集成電路深亞微米工藝的出現(xiàn)和發(fā) 展，集成電路集成度的大幅度提高及設(shè)計容量和復(fù)雜度的飛速增 長，i p的開發(fā)及復(fù)用就變得異常重要西安理工人學(xué)碩士學(xué)位論文a . i p核分類及1 p軟核的優(yōu)點(smcture)按照a s i c設(shè)計方法學(xué)的要求，需要完成行為級（behavior）、結(jié)和物理級（physical）三個領(lǐng)域的設(shè)計，根據(jù)i p核描述的所在集成電路的設(shè)計層次，或者說根據(jù)核優(yōu)化的程度，ip可分為碩ip、 固

25、i p年口軟t po硬i p的芯片中物理掩膜布局已得到證叨，所有的驗證和仿真工作都己完成，用它可以直接產(chǎn)生硅片，系統(tǒng)設(shè)計者不能再對它進行修改。而軟i p是以行為級或rt l級的v e r i 1 o g或vhd l代碼的形式存在，用于描述功能塊的行為，但是并不涉及用什么電路和電路元件實現(xiàn)這些行為。軟核可經(jīng)用戶修改，以實現(xiàn)所需的功能。它耍經(jīng)過邏輯綜合及版圖綜合才能最終實現(xiàn)在硅片上。囤i p介丁軟核和硬核兩者之間，是完成了綜合的功能塊，比軟i p有更大的設(shè)計深度，已經(jīng)完成門級綜合、時序仿真等設(shè)計階段，以門級網(wǎng)表的形式提交使用。表卜1為® i p核、固i p核與軟i p核的對照。碩i p固

26、i p軟i p叫更"度布局己確定門級閱表販碼形式模型化可作庫元素已完成門級綜要與其它邏輯一合、時序仿真起綜合靈活性設(shè)計者不能修設(shè)計可被修改設(shè)計可被修改改工藝不受約束一個芯片上多個硬核時，實現(xiàn)的效率不高預(yù)見性可保證電路時同一丁藝庫的不能保證時序序固核之間，可保實現(xiàn)之前不能進址。行充分的驗證從表卜1可以看出，硬p核已經(jīng)完上，系統(tǒng)設(shè)計師不能再對它進行修改。其優(yōu)點是時序固定，并可在設(shè)計期內(nèi)當(dāng)成庫模塊，缺點是設(shè)計師既不能用戶化它的功能又不能調(diào)整它的時序以滿足整個芯片的時序要求?；谟布枋稣Z言(h d l)的軟i p核具有完全的技術(shù)獨立性和靈活性，設(shè)計易被修改或可少其它多種技 術(shù)的i p進行垂

27、復(fù)綜合。軟i p的缺點是不能保證關(guān)鍵的時序，fl它需 耍為每種應(yīng)用進行綜合、布局和布線。i p軟核具有如下兒方面的特點：a) i p軟核是知識產(chǎn)權(quán)的載體，是完整ip庫的基礎(chǔ)。b) i p軟核由hdl語言寫成，可讀性好、易丁推廣使用、易丁升級、 具有很好的可持續(xù)發(fā)展性。c) i p軟核的應(yīng)用可提高設(shè)計效率及設(shè)計質(zhì)量，人人縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，使超大規(guī)模的系統(tǒng)芯片設(shè)計成為可能。d) i p軟核的應(yīng)用可在提高企業(yè)的技術(shù)實力和競爭能力、提高技術(shù)人員水平、提高企業(yè)知名度方而帶來顯著的經(jīng)濟效益及社會效益。b. i p核復(fù)用技術(shù)i p核可以單獨作為一個功能模塊使用，也可以集成到其它系統(tǒng)中。在i p核的設(shè)計r

28、1_1 ,要注意到i p核的可擴展性，在將其應(yīng)用到不同 領(lǐng)域的時候，不需耍進行人的變化，還耍注意版權(quán)的保護，釆用適當(dāng)?shù)?加密技術(shù)?；∑脚_設(shè)計時，還耍注意到i p庫的合理的構(gòu)架及穩(wěn)定的i p 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以便于有效的具體化及ip模塊的快速查找。i p璽用的一個重要的方面是i p模塊的標(biāo)準(zhǔn)化”1。s o c設(shè)計中，集 中了不同來源的各種i p模塊，這些模塊有不同編程風(fēng)格及不同的接口結(jié) 構(gòu)，大大降低了 i p模塊巫復(fù)利用的效率。為了規(guī)范化接口，提高復(fù)用的 效率，虛擬接口插口聯(lián)盟vs i a相應(yīng)而生，其目標(biāo)是建立統(tǒng)一的系統(tǒng)級 芯片業(yè)的目標(biāo)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過規(guī)定開放標(biāo)準(zhǔn)，方便多個來源i p模塊的西安理

29、工人學(xué)碩士學(xué)位論文混合和玨配，加快s o c的開發(fā)。同時加強各s o c公司z間的協(xié)作，加快 s o c基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，解決支持下一代芯片的設(shè)計技術(shù)問題，協(xié)作消除 多廠商ip璽用中的障礙。在以往的兒十年里，我國i c設(shè)計業(yè)一直面對著“或者設(shè)計出整個 奔騰，或者完全被排除在設(shè)計業(yè)之外”的尷尬局而。i c設(shè)計業(yè)的最新 一輪分工為打破這種局面提供了一個適合我圍國情的切入點，即中等 難度和設(shè)計規(guī)模的ip。 ip產(chǎn)業(yè)的建立必將從國內(nèi)和國際兩個方面帶 動我國ic設(shè)計業(yè)。從國內(nèi)方面看，我國屢次沖擊高端i c設(shè)計都不很 成功，原因z是高端芯片的電路過于龐大和復(fù)雜：i p庫的建立則 把“系統(tǒng)集成嗎“功能模塊設(shè)計

30、"分開，分散了設(shè)計難度和規(guī)模：根 據(jù)pc機的經(jīng)驗，只要ip陣容整齊，設(shè)計口主知識產(chǎn)權(quán)的高端芯片 產(chǎn)品將成為可能。從國際方面看，i p產(chǎn)業(yè)足進入國際市場的最好切入 點：我國以電路算法著稱，將算法與i c設(shè)計結(jié)合成為i p是我國力 所能及的，如果引導(dǎo)得當(dāng)，甚至可望在“十五"期間成為ip出口人國 從而結(jié)束我國ic設(shè)計產(chǎn)業(yè)落后的態(tài)勢。1 . 4課題主要工作及論文結(jié)構(gòu)安排本論文主要目的是設(shè)計一個支持irda的uart軟核ip。它支持可高 達各種標(biāo)準(zhǔn)異步串行傳輸速率的rs 2 3 2協(xié)議和i r d a 1 . 0紅外通信協(xié)議; 可編程串行接口字符；各種出錯檢驗；獨立的外部主時鐘和接收

31、時鐘： 獨立的傳送、接收、現(xiàn)狀態(tài)和翳數(shù)據(jù)中斷控制；可編程波特率；全可編 程串行數(shù)據(jù)格式；內(nèi)部診斷模式；全優(yōu)先級中斷系統(tǒng)控制。同時，對系 統(tǒng)采用了低功耗設(shè)計，降低了系統(tǒng)的功耗。木課題的設(shè)計思路如圖1一1所示。曰i=r圖1一1設(shè)計流程論文的章節(jié)內(nèi)容安排如下:文的研究意義和研究思路。以及i r d a i . 0協(xié)議。第一章是緒論，介紹課題提出的背景，并乍應(yīng)狂五i函提出木 第二章闡述了本課題的理論基礎(chǔ)，包括uat的通異步通訊 第三章詳細說明了u a r t軟核的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括系統(tǒng)設(shè)計和各個了模塊的設(shè)計。第四章是uart軟i p的功能模擬及時序仿真。對各個模塊和整個系統(tǒng)的代碼進行了 r tl級功能模擬

32、和時序仿真，給出了仿真圖。第五章利用fpga對系統(tǒng)驗證。介紹了整個流程，并給出了驗證結(jié)果。第六章是課題總結(jié)?？偨Y(jié)了課題取得的成果、設(shè)計心得以及對課題以后需進行的工作進行了展望。旦壘墮堡墨墨芒塾竺望墊堡塾2 uart原理及紅外通訊協(xié)議2 1 u a r t 原理通用異步接收/發(fā)送器u a r t用丁將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行形式；串行輸入時，又將串行形式轉(zhuǎn)換成并行形式。圖21顯示uart基本結(jié)構(gòu),它的組成包括總.）線resetl砒削譴【寄存器及wj叫接收移位iq婁寄存1及1 一i粥 數(shù)發(fā)送移位哥薦圖21 ua r t皋本結(jié)構(gòu)1）發(fā)送移位寄存器它從發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器取得并行數(shù)據(jù)，經(jīng)并行到并 行變換后，以發(fā)送

33、時鐘速率將數(shù)據(jù)逐位移岀。為了送數(shù)據(jù)到出行輸出設(shè)備，微處理器將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器然 后由發(fā)送邏輯格式化數(shù)據(jù)，包括起始位、奇偶校驗位（如果有需要）和要 求的停止位。格式化后的數(shù)據(jù)送到發(fā)送移位寄存器，然后按規(guī)定的波特率 串行輸出。發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘頻率應(yīng)按要求的波特率設(shè)定，因此設(shè)定波特率就等于設(shè)定傳送數(shù)據(jù)的時鐘頻率。2）接收移位寄存器。它從串行輸入設(shè)備取得串行數(shù)據(jù)，經(jīng)串一并變換后，送往接收數(shù)據(jù)寄存器。在進行串行輸入的數(shù)據(jù)傳送時，串行輸入設(shè)備通過u art的串行輸入引線發(fā)送出彳亍數(shù)據(jù)到uart的接收器。一旦出行輸入引線由高電平變到低電平，接收器就把它解釋為起始位，并把后續(xù)的位移入接收移位寄存器。當(dāng)接收

34、一個完整數(shù)據(jù)后，就并行地送往接收移位寄存器，并通知微處理器讀取它。3）數(shù)據(jù)總線緩沖器。它是微處理器為數(shù)據(jù)寄存器交換的雙向緩沖器。4 ）控制邏輯。這足一個uart的內(nèi)部的控制部件。它接收來白微處理機的控制信號，執(zhí)行微處理機所要求的操作，并輸出狀態(tài)信息和控制信號。uar t是利用外部時鐘來和串行接收的數(shù)據(jù)同步的，外部時鐘的周期t c和數(shù)據(jù)位周期t d之間的關(guān)系為：t c = t d / k,其中 k= 1 6 或6 4 .若k=1 6,在每一個時鐘脈沖的上升沿釆樣接收數(shù)據(jù)線，若發(fā)現(xiàn)了第一個“ 0 ”，以后又連續(xù)采樣到8個.0則確認它為起始位而 蔽勵據(jù)隔1 6個時鐘脈沖采樣一，次數(shù)據(jù)線，作為輸入數(shù)據(jù)

35、，并移入接收移位寄存器，直到位計數(shù)指示結(jié)朿。接著u a r t按規(guī)定格式對輸入數(shù)據(jù)進行檢驗，并根據(jù)結(jié)果設(shè)置u art內(nèi)部的狀態(tài)寄存器。為了使傳送過程更可靠，在uart中還沒置了各種錯誤標(biāo)志，常用的有以下三種：奇偶錯誤在接收時，uart檢查接收到的每一個字符碼中的“1,的個數(shù)，若不符合要求，則置這個標(biāo)志，發(fā)岀奇偶校驗出錯信息。幀錯誤若接收到的字符格式不符合規(guī)定（如缺少停止位），則置出錯標(biāo)志，發(fā)出幀錯誤信息。u ar t原理及英紅外通訊協(xié)議溢出錯誤uart通常是一種雙緩沖器結(jié)構(gòu)，在接收時，一個數(shù)據(jù)已由串行變?yōu)椴⑿胁⒁阉椭两邮諗?shù)據(jù)寄存器中時，接收移位寄存器就可以接收另一個新的字符數(shù)據(jù)。倘若己接收到第

36、二個字符的停止位，而要把第二個字 符送到接收數(shù)據(jù)寄存器中時，微處理器還未取走一個字符數(shù)據(jù)，丁是就 會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，這時置溢出錯誤標(biāo)志。2 o 2通訊原理微處理器與外部的信息交換稱為通訊?；镜耐ㄓ嵎绞接袃煞N，如 圖2 2所示。并行通訊串行通訊微處理器圖22并行通訊與串行通訊并行通訊一個字節(jié)/子數(shù)據(jù)的各位同時傳送，字節(jié)/子間串行傳 送。以一次多位同時傳送的i /0方法，其特點是傳輸效率高，但需要有 多根傳輸線，這在遠距離的通訊中是不經(jīng)濟的。在遠距離條件下，傳送 數(shù)據(jù)的最經(jīng)濟的方法是采用串行通訊。串行通訊數(shù)據(jù)一位一位地按時間先后順序傳送。這樣，在傳送一 個字節(jié)/子數(shù)據(jù)時，每次將數(shù)據(jù)的一位發(fā)送至單根

37、線上；或者反過來，從 單根線上每次一位地接收數(shù)據(jù)，然后拼成一個字節(jié)/了數(shù)據(jù)。串行傳送的數(shù)據(jù)通常是按一定格式編碼的，每一位都是持續(xù)一段時間的信號，稱之 為串行數(shù)據(jù)。釆用串行i / 0的另一出發(fā)點，是因為像電傳打字機、磁帶機等這樣 的設(shè)備需要串行通訊。在串行通訊中，有兩種最基木的通訊方式，即同步通訊和異步通訊。1 .同步通訊同步通訊的基本特征是發(fā)送接收時鐘始終保持嚴格的同步，但它不 象并行通訊侮次傳送一個完整的字節(jié)或字，串行通訊只是每次傳送其中的 某一位。因此，要讓接收設(shè)備知道是那一位，就要進行同步。進行數(shù)據(jù)傳 送開始的同步叫起始同步。通常，發(fā)送一方用一一n兩個同步字符指示每一 同步數(shù)據(jù)流的開始，

38、用以保證發(fā)送和接收寄存器的初始同步，然后雙方同 時開始計數(shù)。下面是一個同步字符的數(shù)據(jù)流格式：布眼百呵兩麗而=一第一個數(shù)據(jù)的第一位進行傳送的數(shù)據(jù)可以有一位奇偶校驗位，每一數(shù)據(jù)可以由5, 6, 7或8位組成。下血是用8位數(shù)據(jù)位和1位奇偶校驗位組成的9位數(shù)據(jù)：奇偶校驗位8位數(shù)據(jù)同步通訊中，同步接收器在一次同步串行傳送開始時，它進入“監(jiān)視 同步字符巾的所謂搜索方式，。一旦它檢測到己知的同步字符后，就從這一 點開始按8位計數(shù)。同步傳輸時耍求發(fā)送一方不間斷地連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，即 數(shù)據(jù)流的中間不可以產(chǎn)生斷缺，否則就要產(chǎn)生錯誤。如果發(fā)送設(shè)備來不及 準(zhǔn)備卜一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則在本數(shù)據(jù)發(fā)送完后，傳送被填充進去的同步u

39、a rt原理及其紅外通訊協(xié)議字符，直到卜一個數(shù)據(jù)能傳送時為止。在同步接收器接收完所有指定數(shù)據(jù) 后，又進入位串“搜索”方式，尋找下一次通訊的同步字符。2 .異步通訊異步通訊既不需耍同步字符，也不需要發(fā)送設(shè)備保持數(shù)據(jù)流的連續(xù)性。 可以準(zhǔn)備一個數(shù)據(jù)發(fā)送一個，但要求發(fā)送的每一位數(shù)據(jù)都必須經(jīng)過事前格 式化，在其前后分別加“起始位呀11“停止位"，用以指示每一數(shù)據(jù)的開始 和結(jié)束，如圖2 3所示：奇偶臉驗位始起個一下位閑空一睜i上位據(jù)數(shù)位7血始起低位高位圖2-3異步串行數(shù)據(jù)格式在異步串行數(shù)據(jù)傳送中，在微處理器與外設(shè)之間有兩項約定：字符格式字符格式包括字符的編碼形式、奇偶校驗的形式以及起始位利停止位

40、的規(guī)定。例如，圖2 3中采用asci i編碼，字符代碼為7位， 加1位奇偶校驗、1位起始位和1位停止位，共10位。波特率(b a n d r a t e )所謂波特率就是數(shù)據(jù)傳送速率的規(guī)定。例如，數(shù) 據(jù)傳送的輸率是9 6 0字符/秒，而每一個字符如按規(guī)定包含有1 0個數(shù)據(jù)位， 則傳送的波特率為：1 0 x 9 6 0 = 9 6 0 0 位 / 秒=9 6 0 0 (波特),則每一位的傳送時間，即波特率的倒數(shù)，應(yīng)為：td=l/9600=0. 1 04ms。異步通訊中，由于要給每數(shù)據(jù)位加起始位、停止位，故傳送效率不及同步通訊高。但對接收與發(fā)送時鐘的同步耍求可以低一點，因為串行異步通訊是基丁下述事

41、實，即接收器每次用起始位同步后，只耍在一段短時問內(nèi)和發(fā)送串行位流保持同步即可。如果接收時鐘在數(shù)據(jù)位的中間采樣，盡管接收時鐘和發(fā)送時鐘并未保持嚴格同步，但仍能保證一個數(shù)據(jù)的最厲一位的正確接收。3. 串行傳送中的兒個問題i)數(shù)據(jù)傳送方向串行通訊中，數(shù)據(jù)在兩個站z問是雙向傳送的，a站可以作為發(fā)送端，e站作為接收端，也可以e站作為發(fā)送端，a站作為接收端。通訊方式又可以分為兩種，即半雙丁方式和全雙t方式。半雙工(halfduples)如圖2 4所示。在這種傳送方式中，在某一時刻，只能有一個站發(fā)送，即只能是由a發(fā)送到b,或者由b發(fā)送到a, a和b不能同時發(fā)送。圖24半雙工示意圖全雙工(fullduplex

42、)如圖2 5所示。在這種方式中,兩個站同時都能發(fā)送和接收。圖25全雙工示意圖i i )信號的調(diào)制和解調(diào)計算機的通訊是一種數(shù)據(jù)信號的通訊，它要求傳送線的頻帶很寬，而在長距離通訊時，通常是利用電話線傳送的，它不可能有這樣寬的頻帶,所以，若用數(shù)字信號直接通訊，經(jīng)過電話傳輸線，信號就會畸變。所以，發(fā)送端要用調(diào)制器(modulator)把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，ua rt原理及其紅外通訊協(xié)議用模擬信號在電話線上傳送。接收端則用解調(diào)器(demodulator)檢測此模 擬信號，再把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這樣接收端收到的仍是數(shù)字信號。2. 3紅外通訊協(xié)議紅外線是波長在7 5 0 nm至1 mmz間的電磁波，它的

43、頻率高于微波而低于可見光。是一種人的眼睛看不見的光線。紅外通訊一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在0 . 7 5 u f n至2 5 um 之間。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(i rda)成立后，為了保證不同廠商的紅外產(chǎn)胡能 夠獲得最佳的通訊效果，紅外通訊協(xié)議將紅外數(shù)據(jù)通訊所采用的光波波 長的范圍限定在8 5 0 nm至9 0 0 nm之內(nèi)。目前，無線電波和微波己被廣泛地應(yīng)用在長距離的無線通訊之中，但由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以更適合應(yīng)用在需要 短距離無線通訊的場合，進行點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸。紅外通訊有著成木低廉，連接方便，簡單易用和結(jié)構(gòu)緊湊的特點，因此在小型的移動設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。這

44、些設(shè)備包括筆記本電腦， 掌上電腦，機頂盒，游戲機，移動電話，計算器，尋呼機，儀器儀表，mp3播放機，數(shù)碼相機以及打印機z類的計算機外i韋i設(shè)備等等。要使各種設(shè)備能夠通過紅外1 2 1隨意連接，一個統(tǒng)一的軟硬件規(guī)范是 必不可少的。但在紅外發(fā)展早期，恰恰就存在這樣的規(guī)范不統(tǒng)一的問題： 許多公司都有著自己的一套紅外通訊標(biāo)準(zhǔn)，同一個公司生產(chǎn)的設(shè)備自然 可以彼此進行紅外通訊，但不能與其他公司有紅外功能的設(shè)備進行通訊。當(dāng)時比較流行的紅外通訊系統(tǒng)有惠普h p s i r,夏普a s k i r和g e n e r n a 1 magic的m a呂i c b e a m等，雖然他們的通訊原理比較相似，但卻不能

45、相互 感知?；靵y的標(biāo)準(zhǔn)給用戶帶來了很大的不便，并給人們造成了一種紅外 通訊不太實用的錯覺。為了建立一個統(tǒng)一的紅外數(shù)據(jù)通訊的標(biāo)準(zhǔn)，1 9 9 3,由hp, compaq,intel等二十家公司發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(inf rareddataassociat ion,簡稱irda), 1 9 9 3年6月28口，來口 50家企業(yè)的1 2 0多位代表出席了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會的首次會議，并就建立統(tǒng)一的紅外通訊標(biāo)準(zhǔn)問題達成一致。一年后，i r d a的紅外數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，即i r d a 1 . 0。i r d a 1 . 0簡稱s ir(seriallnfrared),它是基于hp s i r開 發(fā)出來

46、的一種異步的，半雙工的紅外通訊方式。sir以系統(tǒng)的異步通訊收發(fā)器(uart)為依托，通過對串行數(shù)據(jù)脈沖的波形壓縮和對所接收的光信號電脈沖的波形擴展這一編碼解碼過程(3 / 1 6 e n d e c )實現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸。在低速(小于115. 2kbps)的傳輸中，s i r均將1 . 6 u s的脈沖近似為一位數(shù)據(jù)位脈寬的3 / 1 6 o由于受到uart通訊速率的限制，s i r的最高通訊速率只有115 2kbps，也就是大家熟知的電腦出行端口的最高速率。其波形如圖2 6所示"。n r z6 u b 0.15 2 m b / s l n n 丿a 5 7 6 a n d1 1 4

47、8ac，"1 1畿mb趣幾幾n n圖2 6 uart數(shù)據(jù)格式為i rd a 1 0格式1 9 9 6 年，i r d a 發(fā)布 i r d a 1 1 標(biāo)準(zhǔn)，即 fastlnfrared,簡稱為 f i r.。與s i r相比，由于f i r不再依托uart,其最高通訊速率有了質(zhì)的飛躍，可以達到4mb p s的水平。f i r采用了全新的4 p p m調(diào)制解調(diào)fpul sepos i t i o nmodulation),即通過分析脈沖的相位來辨別所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，起通訊原理與s i r是截然不同。但f i r在1 15. 2kbps以下的速率依舊釆用s i r 的編碼解碼過程，所以

48、它仍可以與支持s i r的低速設(shè)備進行通訊，只有在 通訊對方也支持f i r時，才將通訊速率提升到更高水平。就象u s e和i e e e 1 3 9 4技術(shù)一樣，紅外數(shù)據(jù)通訊的速率也在不斷地ua r t原理及其紅外通訊協(xié)議攀升之中，繼f t r之后，t rd a 乂發(fā)布了通訊速率高達1 6 m的v f i r技術(shù)(v e r y f a s t i n f r a r e d),并將它作為補充納入i r d a 1 . 1標(biāo)準(zhǔn)z屮.更高的通訊速率使紅外通訊在那些需要進行大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)脑O(shè)備上也可以占有席之地。而不是僅僅是連接線的替代。i r d a標(biāo)準(zhǔn)包括三個基木的規(guī)范和協(xié)議：物理層規(guī)” if

49、f, (physicallay e rlinkspecification),連接建立協(xié)議(linkacccssprotocol： i r l a p)和 連接管理協(xié)議(linkmanagementprotocol： i r l m p) 0物理層規(guī)范制定 了紅外通訊碩件喪計上的目標(biāo)和要求，和為兩個軟件層，負責(zé)對連接進行設(shè)置，管理和維護，在和基礎(chǔ)上，針對一些特定的紅外通訊應(yīng)用領(lǐng)域，irda還陸續(xù)發(fā)布了一些更高級別的紅外協(xié)議，如tinytp, 1 r 0 b e x, i r comm, i r lan,i r t r a n p 等等。隨著移動計算和移動通訊設(shè)備的日益普及，紅外數(shù)據(jù)通訊已經(jīng)進入了

50、一個發(fā)展的黃金時期，口 1 9 9 3年i rda成立至今，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會的會員已經(jīng)發(fā)展到1 5 0多個。當(dāng)今在i t業(yè)利通訊業(yè)叱咤風(fēng)云的大公司幾乎都在其中，由此可見i rda標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)獲得了業(yè)界的廣泛認同和支持。目前已經(jīng)開發(fā)牛產(chǎn)具備紅外通訊能力的設(shè)備已有一白種z多，紅外模塊的年裝機量已經(jīng)達到了億五千萬套，并且每年還有4 0 %的高速增長.盡管現(xiàn)在有了同樣是近距離無線通信技術(shù)的藍牙技術(shù)，但以紅外通訊技術(shù)低廉的成本和廣泛的兼容性的優(yōu)勢，紅外數(shù)據(jù)通訊勢必會在將來很長的時間內(nèi)在近距離的無線通訊領(lǐng)域扮演著重要的角色。uart軟核設(shè)計3 uart軟核設(shè)計3 . 1 ua r t設(shè)計要求本設(shè)計的uart軟i

51、p不僅支持通用uart的基本功能，支持通用的異步巾彳亍通訊協(xié)議；還支持紅外通訊1. 0協(xié)議。其基本功能有：1 .標(biāo)準(zhǔn)異步通信格式(起始位+數(shù)據(jù)位+奇偶校驗位+停止位)。2 .支持速率可高達2 3 0 kbps的rs232和rs485數(shù)據(jù)協(xié)議，而且支持從2 . 4kbps 到 1 15. 2kbps 的 irda1. 0 紅外通信協(xié)議。3. 可編程串行接口字符。4. 奇偶校驗出錯，溢出出錯，幀格式出錯。5 .獨立的外部主時鐘和接收時鐘。6 .在f i fo模式下，接收器和發(fā)送器各有高達1 2 8字節(jié)的f i fo緩沖，以減少微處理器通訊的中斷次數(shù)。7.獨立的傳送、接收、現(xiàn)狀態(tài)和置數(shù)據(jù)中斷控制。8

52、 .可編程波特率，可以對任何輸入時鐘進行1 6 5 5 3 6的分頻，產(chǎn)生1 6x的時鐘。9 調(diào)制解調(diào)器控制功能(c t s_n , rts n, dsr_n, d t r n , rin, d c d t61.)全可編程串行數(shù)據(jù)格式：5, 6 , 7 , 8位字符長；奇檢驗、偶檢驗、無奇偶檢驗；1 , 1 . 5 , 2位停止位。1 1 .錯誤起始位的檢測。1 2.內(nèi)部診斷：loop b a c k模式。西安理工人學(xué)碩士學(xué)住論文1 3.金優(yōu)先級屮斷系統(tǒng)控制。1 4 .接收數(shù)據(jù)可以消除噪聲。3. 2 uart軟核內(nèi)部功能模塊構(gòu)造3. 2. 1 u art功能模塊圖根據(jù)to p_down的設(shè)計方

53、法，對uart功能進行整體分析研究，劃分為包插接口模塊，發(fā)送模塊，接收模塊，中斷控制模塊，紅外接口模 塊，波特率發(fā)生模塊等主耍功能模塊。u a r t模塊圖如圖3 1。a 2： 0 c sc l k十j廠控二v中斷模塊:.接卜.發(fā)送紅口二習(xí)波特率發(fā)生 槪塊f斗寄存器卜一接收writeresetrxrdytxrdvrclk圖3 1 ua rt功能模塊圖3.2. 2 u a r t管腳定義inter如圖 3 - 2 , uart 管腳圖：a 1 2 ： o j c stxrdyc l 1 cr x r d yres e r0 ut 1rc l陀0 ut 2d i n f 7 ：rited (d u t 7 ： 0 r j r s nreadd r r nr ) ii a t 八tx da了cts nd s r nr i ndc d n圖3-2 ua r t管腳圖uart軟核設(shè)計a .管腳說明表31管腳說明“端口寬度d i r e c t i o n a c t i v e描述c 1 k 1 i n r i s i n g系統(tǒng)時鐘resctljnhigh系統(tǒng)復(fù)位add 2： 0 3 1 n寄存器地址信號cs n h i g h/t選倍兮r c a d 1 1 n h i g h系統(tǒng)讀信號w r i t e 1 1 n h