实现一个在ARM中通过APB总线连接的UART模块

功能

实现一个在ARM中通过APB总线连接的UART模块（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），包括设计与验证两部分。

项目需求

• 系统时钟最大工作频率满足100MHz，功能时钟满足26MHz
• 具有系统和功能时钟域的复位功能
• 配置接口满足AMBA2.0-APB总线接口时序，总线位宽16bit
• 数据传输满足通用串口时序，奇偶校验功能可配置
• 波特率满足115200，或可配置
• 接收和发送FIFO复位单独可控，触发深度可配置
• 数据收发中断功能可配置
• 数据发送间隔可控
• 具有状态指示功能
• 具有FIFO数据量指示功能

框架

uart框架

设计

• 波特率产生模块
  • 根据功能时钟和配置，产生收发波特率时钟。
• 数据接收
  • 根据RX波特率时钟接收数据，进行奇偶校验，存放数据到RX FIFO，再由CUP经过APB总线读取数据。内含接收数据状态机。
• 数据发送
  • CUP通过APB总线将需要发送的数据放到TX FIFO，根据TX波特率时钟进行数据发送。内含发送数据状态机。
• 寄存器配置
  • 实现APB读写寄存器功能，中断操作，功能选择，模块状态指示等。

验证

• 波特率产生
  • 产生仿真环境使用的波特率时钟。
• 数据接收
  • 仿真环境的接收数据模型。
• 数据发送
  • 仿真环境的发送数据模型。
• APB总线
  • 仿真环境的APB总线模型，模拟cpu响应中断和实现各种功能。
• 数据对比
  • 根据对比发送和接收的数据和时序，产生不同的对比结果，便于仿真时对结果的观察。
• Testcase产生
  • 通过不同的激励或配置产生不同的case，验证功能是否符合。

AMBA-APB协议

AMBA

AMBA总线是ARM研发的高级微控制器总线体系（Advanced Microcontroller Bus Architecture），定义了在设计高性能嵌入式微控制器时的一种片上通信标准。AMBA2.0定义了三种不同的总线：AHB、ASB、APB。

AMBA典型系统

典型的基于AMBA的微控制器由一个高性能系统中枢总线（AHB或者ASB）组成，能够支持高带宽外部存储器，包括CPU，片上存储器和其他直接数据存取（DMA）设备。这条总线为上述单元之间大多数的传输提供高带宽接口。在这条高性能总线上也有一个桥接器以连接低带宽的APB，而在APB上连接着大多数的系统外设。

APB

• 接口信号

PCLK （input）：APB总线的时钟，所有的传输都和它的上升沿同步。

PRESETn （input）：APB总线的复位信号，低有效。

PADDR （input）：APB的地址总线。

PSELx （input）：APB模块的选择信号，高有效。这个信号选择需要和APB总线传输数据的模块。

PENABLE （input）：APB模块的触发信号，标志APB传输的第二个时钟周期。

PWRITE （input）：APB总线上的写（高有效），读（低有效）信号。

PWDATA （input）：APB总线的写数据信号，由APB总线桥来驱动。

PRDATA （output）：APB总线的读数据信号，由APB模块来驱动。

说明：

1. APB总线的传输需要两个时钟周期
2. input，output是相对APB模块（slave）的输入，输出信号
3. “写”操作是将数据从APB总线传输到APB模块，“读”操作是将数据从APB模块传输到APB总线

apb状态图

• APB写操作

  • PADDR，PWRITE，PSEL，PWDATA信号有效时刻相同

    如果只有一个“写”操作，上述信号只持续两个周期。

    如果有多个“写”操作（如Burst方式），PWRITE，PSEL可以保持不变，PADDR，PWDATA每两个周期改变。

  • PENABLE信号在PSEL有效之后一个周期有效，持续一个周期。

    如果有多个“写”操作，PENABLE信号在每两个周期内，保持一个周期低电平，一个周期高电平

apb写操作时序图

• APB读操作

  • PADDR，PWRITE，PSEL信号有效时刻相同

    如果只有一个“读”操作，上述信号只持续两个周期。

    如果有多个“读”操作（如Burst方式），PWRITE，PSEL可以保持不变，PADDR每两个周期改变。

  • PENABLE信号在PSEL有效之后一个周期有效，持续一个周期。

    如果有多个“读”操作，PENABLE信号在每两个周期内，保持一个周期低电平，一个周期高电平

  • APB模块需要在PENABLE有效的时刻，将“读”操作需要的数据送到APB总线上，并保持一个周期。

apb读操作时序图