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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(tài)機為控制核心、以數據流為執(zhí)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(tài)機 數據流
引言
目前，基于傳統(tǒng)IC芯片的微電子應用系統(tǒng)設計技術正在轉向基于知識產權（IP，Intellectual Property）核的片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip）技術發(fā)展。另外，IC設計在國內的發(fā)展很快，各種規(guī)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(tǒng)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(fā)送單元和接收單元。其結構如圖1所示。在SCI數據收發(fā)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(fā)送器和接收器中各引入了與數據幀格式相對應的狀態(tài)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(fā)送單元
數據發(fā)送單元主要功能是完成數據的并/串轉換及發(fā)送，同時產生發(fā)送標志位。其結構如圖2所示，字符發(fā)送狀態(tài)機如圖3所示。下面簡要介紹發(fā)送單元各功能模塊及其狀態(tài)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(tài)寄存器
通過此狀態(tài)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(fā)送過程。
（3）發(fā)送字符計數器
當字符狀態(tài)機的輸出狀態(tài)為允許字符計數時，其開始對發(fā)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(tài)機激勵，使之進入非字符輸出狀態(tài)。
（4）發(fā)送空閑線計數器
當字符狀態(tài)機進入發(fā)送空閑線數據狀態(tài)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(tài)機激勵，使之進入非空閑線數據計數狀態(tài)。
（5）發(fā)送數據流的形成
在TXBUF2SHIFT的高電平脈沖作用下，在SCI_TXBUF中待發(fā)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(fā)送字符狀態(tài)機
在啟動、控制位、計數器溢出等激勵作用下，實現發(fā)送字符狀態(tài)的輸出和轉換。發(fā)送字符狀態(tài)機的激勵有：TXEMPTY（為“0”時啟動TXD發(fā)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(fā)送空閑位數據允許位）、TX_CHARCOUT_REACH（發(fā)送字符數目已夠位）、TX_IDLECOUT_REACH（發(fā)送空閑數目已夠位）。發(fā)送字符狀態(tài)機（見圖3）的狀態(tài)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(tài)，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(tài)機如圖5、圖6所示。
接收單元各功能模塊及狀態(tài)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(jié)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(tài)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(tài)有如下幾種（見圖5）：0（待機狀態(tài)）、1（空狀態(tài)）、2（空狀態(tài)）、3（發(fā)現“1”到“0”的跳變狀態(tài)）、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(tài)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(tài)，并且根據當前接收字符的狀態(tài)，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(tài)（見圖6）有：0（待機狀態(tài)）、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(tài)）、6（幀停止位）。
（5）接收字符計數器
當接收字符狀態(tài)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(tài)機。
（6）接收空閑線計數器
當處于待機狀態(tài)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(tài)機的狀態(tài)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(zhí)行兩大部分。其中，控制邏輯的設計采用以單極或多級狀態(tài)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(zhí)行機構的設計采用以控制邏輯輸出的狀態(tài)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：m.panasonaic.com收集整理）。
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