1、2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 1第7章 通用接口的FPGA設(shè)計【學習目標】 熟悉通用異步串口（UART）設(shè)計 熟悉CAN總線控制器設(shè)計 理解以太網(wǎng)控制器（MAC）設(shè)計 了解雙UART異步收發(fā)器設(shè)計第1頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 2第7章 通用接口的FPGA設(shè)計通用異步串口（UART）設(shè)計7.1 CAN總線控制器設(shè)計7.2以太網(wǎng)控制器（MAC）設(shè)計7.3第2頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 37.1 通用異步串口（UART）設(shè)計7.1.1 UART功能簡介7.1.2 UART實現(xiàn)結(jié)構(gòu)第3頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社P

2、age 4 UART通用異步收發(fā)器，是用于控制微機系統(tǒng)與串行設(shè)備的芯片。它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，作為接口的一部分，UART主要提供以下主要功能：支持標準RS-232接口和AMBA規(guī)范中的APB接口；全雙工獨立收發(fā)通道；發(fā)送/接收雙buffer；軟件檢測通道狀態(tài)；發(fā)送“空”產(chǎn)生可選中斷，接收“滿”產(chǎn)生可選中斷1 UART功能簡介第4頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 51 UART功能簡介接收通道發(fā)生奇偶校驗溢出，幀錯誤產(chǎn)生可選中斷；支持調(diào)制解調(diào)信號：RTS，CTS，DSR，DTR，RI，DCD，邊沿檢測，產(chǎn)生可選中斷；最大傳輸速率為系統(tǒng)時鐘l/16；發(fā)送和接

3、收通道都不使能時，時鐘掛起節(jié)約功耗；串行異步通信格式:起始位（低電平）7/8位數(shù)據(jù)奇校驗/偶校驗（可選）1/2位停止位（高電平）第5頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 62 UART實現(xiàn)結(jié)構(gòu) FPGA UART由三個子模塊組成，即波特率發(fā)生器；接收模塊；發(fā)送模塊。FPGA UART的原理方框圖 第6頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 77.2 CAN總線控制器設(shè)計7.2.1 CAN總線簡介7.2.2 CAN總線協(xié)議概述7.2.3 CAN通信控制器實現(xiàn)框架第7頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 81CAN總線簡介CAN（Controll

4、er Area Network）是控制器局部網(wǎng)的簡稱，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制和實時控制的多主異步串行通信網(wǎng)絡(luò)，其總線規(guī)范已被ISO國際標準化組織制定為國際標準。CAN總線是一種多主機局域網(wǎng)，其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。第8頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 92CAN總線協(xié)議概述CAN總線的層結(jié)構(gòu) 根據(jù)ISO/OSI參考模型，CAN被細分為以下不同的層次：物理層、傳輸層、對象層（MAC）和應(yīng)用層，主要對應(yīng)于ISO的OSI七層模型中數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問控制子層以及物理層的物理信號部

5、分、物理層規(guī)定了節(jié)點的全部電氣特性，在一個網(wǎng)絡(luò)里，要實現(xiàn)不同節(jié)點問的數(shù)據(jù)傳輸，所有節(jié)點的物理層必須是相同的：傳輸層描述了CAN總線協(xié)議的內(nèi)核，它負責時序、同步、仲裁、錯誤探測等；對象層負責報文的過濾、狀態(tài)和控制；應(yīng)用層完成用戶指定的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。第9頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 102CAN總線協(xié)議概述CAN總線的報文傳輸 在CAN 2.0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長度不同，含有11位標識符的幀稱為標準幀，而含有29位標識符的幀稱為擴展幀。 無論是哪種幀格式，在報文傳輸時都有以下四種不同類型的幀：數(shù)據(jù)幀（Data Frame），用于將數(shù)據(jù)從

6、發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?；遠程幀（Remote Frame），用于接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請求數(shù)據(jù)的幀；錯誤傾（Error Frame），用于當檢測出錯誤時向其他單元通知錯誤的幀；過載幀（Overload Frame），用于在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠程幀之間提供附加的延時。第10頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 112CAN總線協(xié)議概述位時序（Bit Timing） CAN總線協(xié)議規(guī)定，報文傳輸?shù)耐交蛘叻峭椒绞降倪x擇通過位時序來實現(xiàn)。CAN總線中位時序包括正常位速率和正常位時間兩個參數(shù)。正常位速率是在非重同步情況下，借助理想發(fā)送器每秒發(fā)送的位數(shù)。正常位時間是正常位速率的倒數(shù)。

7、 正常位時間由同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2組成。第11頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 122CAN總線協(xié)議概述同步 硬件同步：硬同步后，內(nèi)部的位時間從同步段重新開始。因此，硬同步強迫由于硬同步引起的沿處于重新開始的位時間同步段之內(nèi)。 重同步：重新同步的結(jié)果，使相位緩沖段1增長，或使相讓緩沖段2縮短。相位緩沖段加長或縮短的數(shù)量有一個上限，此上限由重新同步跳轉(zhuǎn)寬度給定。重新同步跳轉(zhuǎn)寬度應(yīng)設(shè)置于1和最小值之間（此最小值為4，PHASE_SEG1）。 同步規(guī)則：CAN通信協(xié)議規(guī)定，同步包括硬同步和重同步兩種形式，它們遵從下列幾條規(guī)則。第12頁，共18頁。2022/

8、8/16機械工業(yè)出版社Page 133CAN通信控制器實現(xiàn)框架 CAN通信控制器實現(xiàn)框架主要由接口管理邏輯、信息緩沖器（含發(fā)送緩沖器和接收緩沖器FIFO）、位流處理器BSP 、接收過濾器ASP、位時序處理邏輯BTL、錯誤管理邏輯等構(gòu)成。 第13頁，共18頁。2022/8/16機械工業(yè)出版社Page 147.3 以太網(wǎng)控制器（MAC）7.3.1 以太網(wǎng)基本原理7.3.2 以太網(wǎng)控制器（MAC）實現(xiàn) 框架第14頁，共18頁。1 以太網(wǎng)基本原理第15頁，共18頁。2 以太網(wǎng)控制器（MAC）實現(xiàn)框架 以太網(wǎng)控制器（MAC）實際上實現(xiàn)了以太網(wǎng)標準的第二層協(xié)議MAC（媒體訪問控制）協(xié)議，完全符合IEEE8

9、02.3規(guī)范所規(guī)定的10Mbit/s和100Mbit/s以太網(wǎng)標準。第16頁，共18頁。2 以太網(wǎng)控制器（MAC）實現(xiàn)框架 針對以太網(wǎng)控制器需要完成的任務(wù)，接下來設(shè)計以太網(wǎng)控制器的程序框架，幾個主要部分如下。 主機接口（Host Interface）主機接口用來連接主機部分，將接收到的數(shù)據(jù)幀保存到存儲器中，同時從存儲器中再如需要通過以太網(wǎng)借口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。主機上可以實現(xiàn)更高層次的以太網(wǎng)協(xié)議。 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊（Transmit Module）：完成所有與發(fā)送數(shù)據(jù)相關(guān)的操作，包括產(chǎn)生報頭、添加CRC校驗序列等。 第17頁，共18頁。2 以太網(wǎng)控制器（MAC）實現(xiàn)框架 數(shù)據(jù)接收模塊（Receive Module）：完成所有與接收數(shù)據(jù)相關(guān)的操作，包括取出報頭、CRC校驗。 控制模塊（Control Module）：完成以太網(wǎng)控制器所有功能需要執(zhí)行的操作。 媒體無關(guān)接口模塊（Media Independ