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異步串行通信接口的IP核設計
摘要：異步串行通信接口（SCI）因其結構簡潔、使用方便，因而在各類MCU、DSP和MPU芯片設計中獲得廣泛的應用。本文給出一種以狀態機為控制核心、以數據流為執行中心的異步串行通信接口IP核結構設計的通用方法。此方法已在筆者所設計的DSP芯片中得到驗證。關鍵詞：SCI IP核設計 狀態機 數據流
引言
目前，基于傳統IC芯片的微電子應用系統設計技術正在轉向基于知識產權（IP，Intellectual Property）核的片上系統（SoC，System on Chip）技術發展。另外，IC設計在國內的發展很快，各種規模的IC設計中心和公司不斷出現。因此，IP核的設計已開始逐漸成為國內微電子系統設計的一項支撐技術。從應用功能角度劃分IP核有兩大類：微處理器IP核（如8位8051核、32位ARM核等）和各種接口IP核（如LCD控制器、各種串行總線接口IP核等）。本文以異步串行通信接口（SCI，Serial Communication Interface）接口IP核結構設計為例，說明SCI、UART、SPI、USB等接口IP核的設計方法。
SCI的通信方式采用標準NRZ格式來進行外設間的異步數字通信。因其結構簡法，通常嵌入到DSP、MCU和MPU或外設控制芯片內部，作為芯片的一個接口功能模塊。SCI通常由三個功能單元構成：波特率脈沖產生單元、發送單元和接收單元。其結構如圖1所示。在SCI數據收發中，數據幀的數據格式要比地址幀的數據格式復雜得多。在不同的通信方式下，數據幀的格式是不同 的。為此在發送器和接收器中各引入了與數據幀格式相對應的狀態機來實現數據流的控制。本文所介紹的就是基于這種設計思想的一種通用設計方法。
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1 SCI數據發送單元
數據發送單元主要功能是完成數據的并/串轉換及發送，同時產生發送標志位。其結構如圖2所示，字符發送狀態機如圖3所示。下面簡要介紹發送單元各功能模塊及其狀態轉換。
（1）TXD時鐘八分頻器
對基于波特率時鐘進行八分頻，并輸出兩個基本脈沖—TXD_CLK_WORK（用于計數、移位等）和TXD_CLK_END（用于標志位的生成和數據流輸出）。
（2）TXD狀態寄存器
通過此狀態寄存器設置通信控制寄存器2的兩個控制位—TXEMPTY和TXRDY位，以表示數據寫入SCI_TXBUF和啟動發送過程。
（3）發送字符計數器
當字符狀態機的輸出狀態為允許字符計數時，其開始對發送的字符計數。當計數器值等于編程的字符數時，輸出TX_CHAP_REACH信號作為字符狀態機激勵，使之進入非字符輸出狀態。
（4）發送空閑線計數器
當字符狀態機進入發送空閑線數據狀態時，開始工作。當計數到一定值時，輸出信號TX_IDLECOUT_REACH作為字符狀態機激勵，使之進入非空閑線數據計數狀態。
（5）發送數據流的形成
在TXBUF2SHIFT的高電平脈沖作用下，在SCI_TXBUF中待發送數據，經過選擇器選擇指定位數的數據送入SCI_TXSHIFT低位，不足的高位清“0”。與此同時，TXWAKE數據也送到WUT寄存器，在地址位模式情況下，由ADDR_IDLE控制在WUT中形成地址位；并由SCI_TXSHIFT數據位、地址位和奇偶方式位三者邏輯或形成奇偶校驗位。
（6）當前發送字符狀態機
在啟動、控制位、計數器溢出等激勵作用下，實現發送字符狀態的輸出和轉換。發送字符狀態機的激勵有：TXEMPTY（為“0”時啟動TXD發送）、ADDR_IDLE（地址/空閑線模式選擇位）、PARENA（奇偶校驗使能位）、STOPBIT（選擇1或2個停止位）、WUT（發送空閑位數據允許位）、TX_CHARCOUT_REACH（發送字符數目已夠位）、TX_IDLECOUT_REACH（發送空閑數目已夠位）。發送字符狀態機（見圖3）的狀態有：1為幀停止位（1位），3為幀第1停止位（2位），5為幀第2停止位（2位），8位幀起始位
，9為待機狀態，A為幀數據位，B為空閑線模式起始位，C為幀地址位，E為幀奇偶校驗位，F為空閑線模式停止位，D為空閑線模式計數0～7。
2 SCI數據接收單元
數據接收單元的功能是完成串行數據接收及接收標志位的生成。其結構如圖4所示，接收起始位檢測和接收字符狀態機如圖5、圖6所示。
接收單元各功能模塊及狀態轉換說明如下。
（1）RXD時鐘八分頻器
對波特率時鐘進行八分頻，并保持其與所接收串行數據流的字符同步。其輸出兩個時鐘脈沖：RXD_CLK_WORK，用于計數、移位等；RXD_CLK_END，為數據流各種方式的停止位前一個字節時間段內提供脈沖。
圖4 SCI數字接收單元
（2）起始位檢測模塊
是一種三位四狀態機。其激勵有兩個：RXD_1_VALUE—接收的串行數據流激勵；RXD_END_CHK—一次接收完畢的脈沖激勵。其狀態有如下幾種（見圖5）：0（待機狀態）、1（空狀態）、2（空狀態）、3（發現“1”到“0”的跳變狀態）、4（輸出時鐘同步信號）、5（字符接收過程中輸出RXD_CLK_AYN和RXD_START_DRV）。
（3）字符檢測模塊
主要功能是接收數據流。其在采樣時鐘驅動下數據流通過三個寄存器，隨后在RXD_CLK_WORK脈沖作用下，三個寄存器的數據通過表決電路，把數據送到接收數據緩沖器RXD_VALUE中，為把數據送到移位寄存器RX_SHIFT做準備。
（4）當前接收字符狀態機
用來標識當前所接收的數據是哪一種字符，以及在下一個RXD_CLK_WORK字符周期將轉換到哪一種狀態，并且根據當前接收字符的狀態，驅動其它部件進行合適的操作。其激勵有：RXD_START_DRV（RXD起始位有效激勵）、RX_CHAR_REACH（RXD字符接收數目已夠）、CCR3_ADDR_IDLE（地址/空閑線模式選擇）、CCR5_PARENA（奇偶校驗使能）。其狀態（見圖6）有：0（待機狀態）、1（幀數據位）、2（幀起始位）、3（幀地址位）、4（幀奇偶校驗位）、5（空狀態）、6（幀停止位）。
（5）接收字符計數器
當接收字符狀態機處于幀數據位階段時，其開始計數；當與可編程的數據相同時，輸出RX_CHAR_REACH給接收字符狀態機。
（6）接收空閑線計數器
當處于待機狀態時，開始計數器，當計數到一定時，輸出一個脈沖，將RXSP1_RXWAKE置位為1；在下一個字符即將接收、讀取SCI_RXBUF寄存器或SCI復位的情況下，RXST1_RXWAKE被復位為0。
（7）接收數據移位寄存器（SCI_RXSHIFT）
根據接收字符狀態機的狀態接收與檢測的串行數據流，將所接收的正確數據送入SCI_RXBUF并置相應的標志，否則置出錯標志。
（8）BRKDT間斷檢測計數器
當產生RXST4_FE幀錯誤時，開始工作。當RXD_VALUE為“1”時，其被復位；當RXD_VALUE為“0”時，表示沒有數據接收，開始計數；當計到一定值時，輸出計數滿信號，此時間斷檢測標志RXST5_BRKDT被置位。
結語
綜上所述，在各種串行接口IP核設計中，可將其內部單元結構劃分為控制和執行兩大部分。其中，控制邏輯的設計采用以單極或多級狀態機為核心，并配合其各種激勵單元的結構設計，可以做到結構清晰，并可實現較復雜的邏輯；執行機構的設計采用以控制邏輯輸出的狀態為中心，來設計數據選擇器或數據分配器，可實現數據流的復雜流向（請見網絡補充版：www.ycxgx.cn收集整理）。
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