FPGA—UART

在电子设计领域，FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，能够根据用户需求配置成各种逻辑电路。UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是通用异步收发传输器，常用于设备间的串行通信。本项目以"FPGA—UART"为主题，旨在讲解如何在FPGA中实现UART功能，包括数据的发送和接收，并将接收到的数据存储到FIFO（First-In-First-Out，先进先出）中。FIFO是一种常见的数据缓冲结构，通过IP核（Intellectual Property core）进行实例化，可以简化设计流程。 我们需要理解UART的工作原理。UART是一种异步通信协议，它使用起始位、数据位、奇偶校验位和停止位来传输数据。在发送时，数据按位顺序被发送；在接收端，UART通过检测起始位和停止位来同步数据的接收。通常，UART支持9600bps到数Mbps的波特率，具体速率取决于硬件配置。 在FPGA中实现UART，主要涉及以下步骤： 1. **波特率生成**：FPGA内部需要一个计数器来产生波特率时钟，该时钟频率是系统时钟与预设波特率的倒数。通过分频器可以实现这个功能，确保发送和接收端的波特率一致。 2. **发送模块**：发送模块负责将并行数据转换为串行数据，并按照UART协议格式进行发送。它通常包含一个移位寄存器，用于将并行数据逐位转换为串行，以及控制逻辑来生成起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。 3. **接收模块**：接收模块接收串行数据并将其转化为并行数据。它需要检测起始位，然后在停止位之后提取数据，并根据奇偶校验位进行错误检查。如果检测到错误，可能需要采取重传或其他错误处理机制。 4. **FIFO接口**：在UART接收端，由于串行通信的速度可能无法实时处理，因此需要FIFO作为缓冲区。当FPGA接收到数据后，将其存入FIFO，然后由主处理器在合适的时候读取。FIFO实例化为IP核，可以简化设计，提高稳定性，同时提供读写指针管理和空满判断等功能。 5. **中断机制**：为了通知主处理器有新的数据可读或发送缓冲区已空，FPGA设计中通常会包含中断逻辑。当FIFO达到一定阈值时，可以触发中断，提醒处理器进行数据交换。 在项目中，`uart`可能是源代码文件，包含了上述各部分的Verilog或VHDL代码。这些代码需要在综合工具如Xilinx Vivado或Altera Quartus II中进行编译和配置，然后下载到FPGA芯片中执行。 总结起来，"FPGA—UART"项目涵盖了数字逻辑设计中的重要概念，包括UART通信协议、FPGA硬件描述语言编程、时序控制、FIFO操作以及中断处理。通过这个项目，开发者不仅可以掌握串行通信技术，还能深入理解FPGA在系统级设计中的应用。