串口接收 - 基于FPGA 的SPI Flash 控制器设计及验证

　　2. 1. 1 串口接收

　　串口接收程序按照UART 的传输原理进行程序设计，本设计省略了奇偶校验部分，是按照10 bit 的串口传输方式设计的。串口程序的核心是一个接收状态机，另外还包括接收同步、采样时能生成和标志位控制模块。工作原理是来自串口的信号经两级寄存器同步后不断被采样，采样后的信号到接收状态机控制获得串口数据，如果接收完数据，把接收到数据的标志位置高告诉相关模块已经接收到新数据，标志位在标志清零输入置高后被清零，这时候标志位再次置高说明接收到下一个的数据。标志位清零的控制要注意清零位的置高周期数，最好为一个周期，不能无限制地永远置高。串口接收模块的核心状态机的状态转换图如图4 所示。

　　

　　idle：闲置状态每个时钟周期都采样接收同步信号的值，一旦该信号的值为0 则转入到下一个状态。

　　first：准备接收状态采样串口接收的起始位，在波特率的16 倍时钟下采样，如果6、7、8 次采样中有两次为低电平说明是起始位，转入到下一个状态（rxd），否则认为该信号是干扰信号而转入闲置状态（idle）。

　　rxd：接收状态把数据接收到并存入暂存寄存器，并产生标志位的原始信号，接收结束是根据暂存寄存器的最低位来判断结束的，同时在结束的时候判断结束位是否为0，如果不为0，则抛弃接收到的数据后转入到闲置状态。

　　2. 1. 2 缓存接口

　　缓存接收模块是一个相对简单的模块，它主要是把串口接收模块接收到的数据存入到FIFO，由于串口接收的是8 bit 的数据，FIFO 的宽度是16 bit，因此每次接收2 bit 数据再存入FIFO。缓存接口模块包含一个控制状态机，工作原理是一旦检测到串口接收模块的标志位为高时就接收1 字节的数据，并转到接收下1 字节状态，这个状态接收到第二个数据，并把整个16 bit 的数据存入到FIFO，每次接收1 字节数据后都把清零标志位置高清除串口接收模块的标志位。

　　FIFO 是在开发软件中例化的一个模块，为保持较高的速度，刚好用了一个M4K 块，数据的宽度为16 bit，数据的存储深度是256 个。本FIFO 读数据和写数据工作在不同的频率上，读数据的操作工作在较高的频率上，写数据的操作工作在较低的频率上。本FIFO 也把内部的其他模块和跟数据的获得模块分离，如果要把串口获得数据模块改为其他方式就可以直接修改这部分即可。

　　2. 1. 3 写缓冲FIFO

　　写缓冲FIFO 指的是串口数据的暂存FIFO，在FLASH 主控制模块中将用到的信号是这个FIFO 的“近空冶信号（w_fifo_aempty）。在每行显示开始的时候都要检测这个信号，如果w_fifo_aempty 信号为高电平，说明写缓存FIFO 已经有足够的数据用来写，这时候把FIFO 中的数据写到FLASH 中，当w_fifo_aempty 信号为低电平说明数据即将被读空，这时候通过置w_fifo_re 使能停止向FLASH 写数据。每一次这样的一个过程至少写入了突发数据传输的数据个数。

　　写缓冲FIFO 的写是uart_inf 这个模块来控制的，只有在uart_rxd 接受完两个字节的数据后把这个数据合成一个16 bit 的数据存入到FIFO，准备好数据的同时把FIFO 的写使能置为低电平一个周期即可以把数据写入到FIFO 中。

　　2. 2 Flash 控制模块

　　Flash 正常工作时必须严格按照Flash 的时序控制信号，Flash 主控制模块在两个有限状态机的控制下来进行，写Flash 状态机和读Flash 状态机。

　　由于Flash 的写操作只能将数据1 改写成为0，擦除操作才能将数据0 改写为1。所以FPGA 刚上电时，程序首先对Flash 进行擦除操作，将指定区域全写为1。当需要执行写Flash 的操作时，应该首先把数据写到FPGA 内部的BlockRAM 中，然后按照Flash Datasheet 中的页面编程时序向Flash 中写入数据。Xilinx 公司为用户提供了功能丰富的IP 核，设计中需要的BlockRAM 模块可直接在ISE 中调用IP 核，Flash 主控制模块可以控制存取BlockRAM 的地址和时间，并且按照Flash 的页编程时序，将并行数据通过SPI 接口模块转换为串行数据后送入到Flash 中。W25Q80BV 的页面编程指令的时序图如图5 所示。

　　

　　图5 中，首先拉低/ CS（片选信号），第1 个时钟上升沿将页面编程指令02H 送入Flash 内，然后输入3 个字节的首地址，紧接着输入编程数据。页面编程一次最多可以输入256 个字节的数据，若超出256 个字节，则仅保留最后输入的256 个字节的数据。如果输入低8 bit 不全为零的地址，从输入的地址进行编程，一直编程到该页的最后，接着从该页的起始地址进行编程。同样，输入完数据后片选信号也必须拉高，否则页面编程指令不被执行［4］ 。