摘 要： 為了簡化應用系統(tǒng)中的三線制同步串行通信擴展接口，減小系統(tǒng)體積，降低系統(tǒng)功耗，通過研究三線制同步串行通信的原理，利用FPGA，結合硬件描述語言VHDL，設計了三線制同步串行通信控制器功能框架結構，介紹了各組成模塊的功能及工作過程，并對該控制器IP核的接口信號進行了詳細描述與定義，最后在Xilinx ISE和ModelSim SE平臺下對該控制器IP核進行了綜合和功能仿真。
關鍵詞： 三線制同步串行通信；FPGA；VHDL；IP核
同步串行通信[1]在航天工程領域中有著廣泛的應用，其中，三線制同步串行通信以其連線少、操作方便、通信速度快等特點，被成功應用在與外圍串行設備的數據通信中。
目前大多數微控制器或微處理器都配置有同步串行通信接口，但含有三線制同步串行通信接口的微控制器或微處理器卻不多，因此在需要應用三線制進行通信的場合，就需要對系統(tǒng)進行三線制同步串行通信接口的擴展，利用FPGA[2]可以實現三線制同步串行通信。由于FPGA具有工作速度高、可配置性強、靈活性好等突出優(yōu)點，可以滿足高速同步串行通信。根據三線制同步串行通信機制，通過采用Xilinx公司的FPGA器件[3]設計并實現了三線制同步串行通信控制器的IP軟核。該控制器具有高速、易調試、配置靈活等優(yōu)點，有效利用了FPGA內部硬件資源，減小了系統(tǒng)體積，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。
1 三線制同步串行通信機制介紹
在計算機領域內，有串行傳送和并行傳送兩種數據傳送方式。并行數據傳送中，數據在多條并行1 bit寬的傳輸線上同時由源端傳送到目的端，這種傳送方式也稱為比特并行或字節(jié)串行。串行數據傳送中，數據在單條1 bit寬的傳輸線上，逐位按順序分時傳送。
同步傳輸過程中，發(fā)送端和接收端必須使用共同的時鐘源才能保證它們之間的準確同步。同步傳輸時，在幀同步脈沖信號觸發(fā)下，串行數據信息以連續(xù)的形式發(fā)送，每個時鐘周期發(fā)送1 bit數據。因此，同步傳輸時數據成批連續(xù)發(fā)送，信息字符間不留任何空隙，它嚴格按照約定的速率發(fā)送和接收。為達到接收和發(fā)送的準確同步，通常在發(fā)送端利用編碼器把要發(fā)送的數據和發(fā)送時鐘組合在一起，通過傳輸線發(fā)送到接收端，在接收端再用解碼器從數據流中分離出接收時鐘。常用的編碼解碼器有曼徹斯特碼和NRZ-L碼。
三線制同步串行通信采用的碼型為NRZ-L碼，其時序邏輯關系如圖1所示。
三線制同步信號包括：幀同步信號、時鐘信號和串行數據，通常采用中斷方式接收。串行數據接收或發(fā)送時，首先幀同步信號先觸發(fā)一個瞬時脈沖，之后保持低電平有效，數據在時鐘信號的上升沿保持穩(wěn)定，并開始采樣，每個時鐘周期接收或者發(fā)送一位串行數據，直至數據接收或者發(fā)送完畢，系統(tǒng)再轉而處理其他相關操作。在數據發(fā)送或接收的整個過程中，幀同步信號一直處于低電平不變。
2 三線制同步串行通信控制器IP核設計
本設計最終目標是用硬件描述語言VHDL[4]構建一個三線制同步串行通信控制器，也就是建立一個基于FPGA實現的、可復用的IP核[5]。同時，可以將設計好的IP核保存，作為一個子模塊應用于其他需要此模塊的系統(tǒng)中，從而減輕大型設計的工作量，縮短開發(fā)周期。
2.1 三線制同步串行通信控制器IP核接口描述
本設計最終實現的目標是生成如圖2所示的IP核接口封裝。
其中，三線制同步串行通信控制器IP核接口信號定義如表1所示。該IP核共有全局信號管腳8個，接收接口信號管腳和發(fā)送接口信號管腳各3個。
2.2 三線制同步串行通信控制器IP核電路結構設計
按照設計目標，根據需要實現的功能，可將三線制同步串行通信控制器結構劃分成幾個大的功能模塊[6]，這些模塊獨自完成一定的任務，結合起來實現通信控制器的整體功能。同時，劃分模塊功能后，可以更方便地用硬件描述語言VHDL對其進行描述。
如圖3所示，根據設計要求，可將三線制同步串行通信控制器劃分成3個主要功能模塊：接口模塊、接收模塊和發(fā)送模塊。
(1)接口模塊：用于各種全局信號的邏輯組合譯碼控制。同時，對輸入的系統(tǒng)時鐘進行時鐘分頻，為接收模塊和發(fā)送模塊提供串行同步時鐘信號。
(2)接收模塊：用于接收外圍串行設備傳來的串行數據，此功能模塊的核心是接收FIFO和串/并變換兩大模塊，其中接收FIFO作為數據緩沖器暫存接收到的數據。在接收數據標志、接收移位寄存器和接收移位計數器的配合驅動下，串行數據按照MSB先、LSB后的順序經過串/并變換后，并行數據被存儲于接收FIFO中，等待中斷響應后CPU對數據進行處理。
(3)發(fā)送模塊：用于向外圍串行設備發(fā)送串行數據，此功能模塊的核心是發(fā)送FIFO和并/串變換兩大模塊。CPU將要發(fā)送的數據先放到系統(tǒng)的并行數據總線上，并被暫存于發(fā)送FIFO中，在響應發(fā)送中斷信號后，并行數據按照MSB首發(fā)、LSB后發(fā)的順序，在控制信號驅動下，經過并/串變換，發(fā)送的數據最終以串行數據格式被送往外圍串行設備端口。
三線制同步串行通信控制器IP核實體名接口用VHDL語言[4]定義如下：
ENTITY SerSendRec IS
PORT( Rst_n：IN STD_LOGIC；
Clk：IN STD_LOGIC；
Cs：IN STD_LOGIC；
Strobe：IN STD_LOGIC；
Rw：IN STD_LOGIC；
Addr：IN STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0)；
Rdata：IN STD_LOGIC；
Rclk：OUT STD_LOGIC；
Rgate：OUT STD_LOGIC；
Int：OUT STD_LOGIC；
Sdata：OUT STD_LOGIC；
Sclk：OUT STD_LOGIC；
Sgate：OUT STD_LOGIC；
Data：INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0))；
END SerSendRec；
3 仿真與驗證
利用Xilinx ISE和ModelSim SE工具平臺對三線制同步串行通信控制器IP核進行綜合和功能仿真。數據發(fā)送仿真波形如圖4所示，數據接收仿真波形如圖5所示。可以看出，仿真結果完全正確，符合設計的預定目標。
從圖4的仿真波形中可以看到，data信號線上是系統(tǒng)要向外圍串行設備發(fā)送的并行數據，在各種控制信號邏輯組合滿足情況下，系統(tǒng)響應發(fā)送中斷信號Int后，CPU先將待發(fā)送的數據暫存在04H地址緩沖寄存器中，在幀同步脈沖信號Sgate正脈沖觸發(fā)下，每個Sclk周期發(fā)送一位串行數據Sdata。圖中并行數據99H和E3H對應的串行數據分別為“10011001”和“11100011”。
同理，從圖5可知，當開始接收數據時，在Rgate正脈沖觸發(fā)下，Rdata數據信號線上待接收的二進制串行數據通過串/并變換成“11101010”和“11010111”，并分別暫存在07H和06H所對應的地址緩沖寄存器中，在接收中斷信號Int響應下，將對應的并行數據“EA”和“D7”傳送到系統(tǒng)數據總線上，CPU對數據進行處理。
本文在對三線制同步串行通信機制進行介紹的基礎上，對三線制同步串行通信控制器IP核進行了結構劃分和詳細設計，并結合Xilinx公司的FPGA器件，采用VHDL硬件描述語言，對設計方案進行了仿真與驗證，通過功能仿真波形得出了設計方案的正確性，并被成功用于航天某工程項目中。因其兼具較高的數據傳輸率和IP核的可移植性，可以預見，其在通信領域中將具有更加廣闊的發(fā)展空間。
參考文獻
[1] 張德民.數據通信[M]. 北京：科學技術文獻出版社，1997.
[2] 任曉東.CPLD/FPGA高級應用開發(fā)指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.
[3] Xilinx Corp.Virtex-5 FPGA family complete data sheet.2008.
[4] 侯伯亨，顧新.VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2001.
[5] 李玉山，來新泉.電子系統(tǒng)集成設計技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.