基于FPGA和TL16C554A的多串口扩展方法

摘要

本发明提供一种基于FPGA和TL16C554A的多串口扩展方法，采用的硬件包括FPGA、n个TL16C554A芯片、n个串口电平变换芯片，FPGA与DSP通过数据总线、地址总线和控制总线相连接，FPGA作为DSP处理器的异步存储器，完成与DSP的通信，以及TL16C554A芯片的时序驱动、片选译码和中断译码。TL16C554A芯片为异步串行通信的管理单元，包括4个串口通信管理单元，能够将并行数据转换成4路的串行输出，可以实现4个串口的收发管理，能同时实现与4n个设备通讯。本方法是一种占用处理器地址空间和中断资源少，可靠性高，便于移植的多串口扩展方法。

主权项

一种基于FPGA和TL16C554A的多串口扩展方法，采用的硬件包括FPGA、n个TL16C554A芯片、n个串口电平变换芯片，n为大于等于4的整数，FPGA与DSP通过数据总线、地址总线和控制总线相连接，FPGA作为DSP处理器的异步存储器，只需要DSP的三个地址指针用于实现与DSP的通信，这三个地址指针分别用于保存TL16C554A芯片的控制字C54_CTRL_WORD、发送到串口的数据DATA_T0_C54和从TL16C554A芯片收到来自串口的数据DATA_FROM_C54；其特征在于，具体扩展方法如下：其中，FPGA收到DSP发送的控制字C54_CTRL_WORD为两个字节，FPGA根据控制字C54_CTRL_WORD产生满足TL16C554A芯片的读写时序的控制信号CSD～CSA、Addr2～0、RESET、/IOW、/IOR；实现对TL16C554A芯片的初始化，波特率的设定，以及通过TL16C554A芯片从串口读取或通过串口发送数据，最终达到DSP处理器通过外扩串口与外界通信的目的；C54_CTRL_WORD从高位到低位定义如下：第16位ST为FPGA产生TL16C554A芯片驱动总线的状态位，ST置位时启动FPGA对TL16C554A芯片操作的读或写总线，复位时复位FPGA对TL16C554A芯片操作的读或写总线；第15位RW为FPGA产生的TL16C554A芯片驱动总线的读或写状态位，RW置位时总线为读数据时序，复位时总线写数据时序；第14位到第5位为串口片选控制位，DSP通过这10位数据告诉FPGA对哪个串口进行操作，FGPA根据这10位数据进行片选译码，从而对相应串口进行读写；第4位RESET为TL16C554A芯片的复位控制位，置位时对TL16C554A芯片进行复位操作；低3位为地址，该地址为经过片选译码所对应的TL16C554A芯片的3根地址线A2、A1、A0；FPGA中的时序译码是利用状态机产生满足对TL16C554A芯片操作的读写时序，该状态机根据控制字C54_CTRL_WORD中的总线起始状态位ST来触发或复位状态机，状态机启动时会根据控制字C54_CTRL_WORD中的总线读写状态位RW产生TL16C554A芯片的读或写时序；FPGA中的片选译码是利用组合逻辑对C54_CTRL_WORD的10位片选控制位进行译码，产生某一个TL16C554A芯片的4个片选信号CSA、CSB、CSC和CSD中的某一个串口的片选信号；根据扩展串口数量选择需要的位；FPGA中的中断译码是根据每一个TL16C554A芯片的四个中断信号INTA、INTB、INTC、INTD和RXRDY_n产生给DSP的中断信号，首先，利用组合逻辑将每一个TL16C554A芯片的中断信号INTA、INTB、INTC、INTD取逻辑“或”运算，再与该TL16C554A芯片的信号RXRDY_n的“非”取逻辑“与”运算，即INT_C54_i＝(INTA or INTB or INTC or INTD)&(not RXRDY_n)；然后将每个TL16C554A芯片的运算后的信号再进行逻辑“或”运算，即C54_INT_Combine＝INT_C54_0 or INT_C54_1 or ... ... or INT_C54_8，最后再根据C54_INT_Combine置位时触发FPGA中产生DSP中断的状态机，产生信号给DSP的外中断EXTINT4；当DSP把所有串口数据都读取时，C54_INT_Combine复位，取值为0，产生DSP中断的状态机也复位，同时DSP的外中断EXTINT4信号也复位；在FPGA中自定义设置了串口中断状态寄存器，寄存器的每一位代表一个串口的中断状态，置位时代表该串口有数据中断产生，复位时表示没有数据中断或产生中断的数据已经被读取，该寄存器的个数根据串口数量设置；当某一个串口有数据收到时，即有一个字节到达该串口的接收缓冲寄存器RBR，则该串口的中断标志寄存器IIR的值为0x04，同时该串口对应TL16C554A芯片的四个中断信号INTA、INTB、INTC、INTD中的那一个被拉高，产生高电平中断信号。而且，该TL16C554A芯片的RXRDY_n被拉低表示数据准备好，只有当RBR中的数据被读取后，对应的中断信号和RXRDY_n才恢复默认值，通过FPGA的中断译码程序，保证每个串口有数据收到时都能够产生中断，而且只有数据被读取后中断才能消除，不会有数据接收到而没被读取的情况；所有扩展的串口都采用查询发送，中断接收，为DSP处理器扩展32串口其过程具体如下：查询发送过程：(1.1)：查询第15个串口的发送保持寄存器THR是否为空的标志位，即第15个串口对应的线性状态寄存器LSR：地址0x05的第6位是否置位，DSP将2字节的控制字保存到控制字的指针地址中，即(*CTRL_WORD_C54)＝addr+cs_num+0xC000；其中，ST＝1触发TL16C554A时序状态机标志位；RW＝1产生TL16C554A的读时序标志位；addr＝0x05，即线性状态寄存器LSR的地址；cs_num为发送到串口序号，第15个串口对应cs_num＝0x00F0；(1.2)：FPGA通过控制字CTRL_WORD_C54指针译码，将控制字的值并保存到FPGA中；(1.3)：FPGA对控制字CTRL_WORD_C54的值进行译码：从控制字定义得出的ST、RW、cs_num和addr的值，控制字的值为0xC0F5，从而ST＝1，RW＝1，cs_num＝0x00F0，addr＝0x05；(1.4)：FPGA根据控制字中的ST、RW、addr产生TL16C554A的控制时序；ST＝1，RW＝1，addr＝0x05则表示启动TL16C554A的读时序，产生TL16C554A的片选信号CSx：cs_num＝0x00F0，产生的CSx信号对应第4片TL16C554A芯片的CSD，读信号IOR，并将控制字中的地址addr按照时序送到TL16C554A芯片的IOR、CSD、A2、A1、A0的管脚上，由状态机根据时序要求从D7～D0读取1个字节的数据，读时序完成后，控制字所指定地址：0x05，线性状态寄存器LSR的1个字节数据就到达FPGA中DSP数据指针：*DATA_FROM_C54所指定的空间；(1.5)：DSP通过指针(*DATA_FROM_C54)读取1个字节的值，即LSR的值；(1.6)：与0x20取逻辑“与”运算，判断是否为1；如果是说明串口15的发送保持寄存器空，进行发送数据，跳到下一步；否则，表示发送保持寄存器有数据没有发送完成，则跳到第(1.1)步；(1.7)：将待发送的1个字节数保存到DATA_T0_C54的指针中，即(*DATA_T0_C54)＝data；(1.8)：FPGA通过对DATA_T0_C54的指针地址译码，将1字节的数据保存到FPGA中；(1.9)：将2字节的控制字保存到控制字的指针地址中，即(*CTRL_WORD_C54)＝addr+cs_num+0x8000；其中，ST＝1触发TL16C554A时序状态机标志位；RW＝0产生TL16C554A的写时序标志位；addr＝0x00，即发送保持寄存器THR的地址；cs_num为发送到串口号，第15个串口对应cs_num＝0x00F0；(1.10)：FPGA通过对控制字CTRL_WORD_C54的地址进行译码，将控制字的值保存到FPGA中；(1.11)：FPGA根据控制字中的ST、RW、cs和addr的值进行相关操作；从控制字定义得ST＝1，RW＝0，cs＝0x00F0，addr＝0x00；(1.12)：FPGA进行片选译码；根据cs_num的值将产生TL16C554A时序的状态机输出片选信号CS连接到对应的串口片选信号上，cs_num＝0x00F0，即对应串口号15，状态机输出的CS片选信号则直接给第4片TL16C554A芯片的CSD。(1.13)：FPGA根据控制字中的ST、RW、addr产生TL16C554A的控制时序；ST＝1，RW＝0，addr＝0x00，则表示启动TL16C554A的写时序，产生TL16C554A的片选信号CSx，cs_num＝0x00F0，产生的CSx信号对应第4片TL16C554A芯片的CSD，写信号IOW，并将控制字中的地址addr和步骤(1.2)中保存的待发送数据DATA_T0_C54按照时序要送到TL16C554A芯片的IOW、CSD、A2、A1、A0和D7～D0的管脚上，写时序完成后，要发送的一个字节就到达TL16C554A芯片的发送保持寄存器THR中；(1.14)：TL16C554A芯片将THR中的数据发送到串口输出信号上；THR中的数据由发送移位寄存器按照设置好的波特率，再添加上起始位和停止位后按位写到串口的发送信号线TXD上，完成一个字节的发送；中断接收过程：(2.1)：当有一个或多个串口收到数据，TL16C554A芯片成功收到后将数据保存到串口对应通道的接收数据缓冲寄存器RBR，同时TL16C554A芯片将对应的有数据收到串口的中断信号线INTx拉高，并且将RXRDY_n拉低；(2.2)：FPGA根据TL16C554A芯片的中断信号INTx将自定义的中断寄存器C54_INT_REG0和C54_INT_REG1中对应有数据收到串口的“位”置1，等到数据被读取后，FPGA会根据TL16C554A芯片的中断信号INTx的清除而将该寄存器中对应位置0；(2.3)：同时，FPGA中的中断译码程序根据INT_C54_i＝(INTA or INTB or INTC or INTD)&(not RXRDY_n)和C54_INT_Combine＝INT_C54_0 or INT_C54_1 or ... ... or INT_C54_8运算后产生满足DSP中断的高电平信号C54_INT_Combine，从而触发FPGA中的中断的状态机产生DSP外部中断低信号EXTINT4，该状态机等待中断C54_INT_Combine清除后回到idle状态；(2.4)：DSP收到外部中断EXTINT4进入中断服务程序；(2.5)：首先读取中断状态寄存器C54_INT_REG0和C54_INT_REG1的值，即C54_INT_REG0_value＝(*C54_INT_REG0)、C54_INT_REG1_value＝(*C54_INT_REG1)；(2.6)：从低到高依次判断中断寄存器其值C54_INT_REG0_value和C54_INT_REG0_value的每一位，如果为1跳到下一步，否则判断下一位；设置循环计数器，该计数器的值代表串口号，从0到31，每判断一位，对应计数器值加1；(2.7)：DSP把读第i个串口，设为第0个串口的接收缓冲寄存器RBR，TL16C554A芯片对应的地址为0x00的控制字写入控制字指针，即(*CTRL_WORD_C54)＝0x00+0x000+0xC000；(2.8)：FPGA根据控制字CTRL_WORD_C54的指针地址进行译码，将控制字的值保存到FPGA中；(2.9)：FPGA对控制字CTRL_WORD_C54的值进行译码：根从控制字定义得出的ST、RW、cs和addr的值，控制字的值为0xC000，从而ST＝1，RW＝1，cs_num＝0x0000，addr＝0x00；(2.10)：FPGA进行片选译码：根据cs_num的值产生TL16C554A的时序状态机的输出片选信号CSx，并将片选信号CSx输出给对应的串口片选信号上；设cs_num＝0x0000，即对应串口号0，状态机输出的片选信号CSx则直接给第1片TL16C554A芯片的CSA；(2.11)：FPGA根据控制字中的ST、RW、addr产生TL16C554A的控制时序：ST＝1，RW＝1，addr＝0x00表示启动TL16C554A的读时序，产生TL16C554A的片选信号CSx，读信号IOR，并将控制字中的地址addr按照时序要分别输出到C54的IOR、CSA、A2、A1、A0的管脚上，由状态机根据时序要求从D7～D0读取1个字节的数据，读时序完成后，控制字所指定地址(0x00，接收缓冲寄存器RBR)的1个字节数据就到达FPGA中DSP数据指针(*DATA_FROM_C54)所指定的空间；(2.12)：DSP通过指针(*DATA_FROM_C54)读取1个字节的值，即RBR中的数据，也就是控制字中cs_num所对应串口收到的数据；(2.13)：判断第6步中的循环计数器是否等于31，如果不等于跳到第(2.6)步继续执行；否则，跳到下一步执行；(2.14)：当所有串口数据都被读取后，8片TL16C554A芯片的中断信号INTA、INTB、INTC、INTD都被置低，RXRDY_n被拉高，FPGA中的中断状态机复位，DSP跳出中断服务程序，等待下次中断触发。