摘 要： 通用非同步收發傳輸器UART是一種通用串行數據總線，雙向通信，可以實現全雙工傳輸和接收，用于異步通信。在Simulink環境下，用STATEFLOW對其進行建模，可以將其原理直接轉化成模型，擺脫了傳統方式下直接手寫代碼的弊端，而且可以自動生成HDL代碼，為FPGA的設計、開發開辟了新的途徑。
關鍵詞： 代碼自動生成；STATEFLOW；HDL；FPGA
1 傳統設計方法與基于模型設計的比較[1]
1.1 傳統設計方法的缺陷
(1)信息的交流依賴文檔
傳統的開發方法中，在不同階段彼此之間傳遞的信息需要依賴文檔。由于工程師對系統的認識與理解有一定的局限性以及對文檔理解的二義性，會在系統開發的過程中引入一些缺陷甚至錯誤，而這些缺陷或者錯誤會一步一步地傳遞到下一個設計階段。
(2)早期設計階段引入的錯誤要在開發后期才能發現
由于設計的嵌入式軟件算法需要專門的硬件生產出來之后進行集成的測試，因此在設計階段早期，引入的一些設計錯誤要在軟、硬件產品都具備之后進行集成與測試時，在開發后期才能夠發現早期的錯誤，此時修正起來不是那么簡單，極有可能需要重新編寫軟件，甚至重新開發硬件。
(3)手寫代碼與手寫文檔
傳統的設計方法中，產品實現過程只能夠利用手寫代碼來完成。這對于FPGA、HDL的初學者和工程師都是一件麻煩事。文檔的錯誤，再加上手寫HDL代碼的錯誤，最終的產品就可能有很多問題，以致于無法完成最后的子系統、分系統和全系統的集成工作。
1.2 基于模型的設計優勢
(1)在基于模型的系統設計過程中，所有過程遵循統一環境下的統一的模型。由于可以把測試手段從系統設計的初期引入到整個設計流程中，作為規范的模型能夠通過執行仿真來驗證自己的正確性，從而保證了規范的正確性。
(2)連續不斷的測試與驗證。在模型設計的每個環節都引入了測試仿真手段。利用充分的仿真，可以考察系統不同組件對整個系統的影響。
(3)自動代碼生成。傳統的FPGA設計方法往往是一開始就手寫HDL代碼，這對于初學者是件困難的。而基于模型的設計優點是只要知道設計原理，就可以用模型直觀地設計，省去了手寫代碼的麻煩，提高了開發的效率，縮短了開發周期。而且模型做成子系統后可以自動生成HDL代碼，如果有錯，只要修改模型，再重新生成HDL代碼即可，為后續的開發提供了便利。
2 UART串口通信原理
在空閑時，TXD為高電平。發送時，先發送起始位(低電平)，再發送數據位，最后發送停止位(高電平)，發送過程為并入串出。對于接收，空閑時RXD為高電平，低電平來到時，在該位的當中進行采樣，如果為0，則為起始位，說明可以采集后面的數據位，直至最后的停止位，接收過程為串入并出。
數據時序圖如圖1所示。
3 用Simulink、STATEFLOW實現對UART串口行為建模
(1)UART發送模塊的STATEFLOW建模如圖2所示，TxDS與CnTS為并行狀態。
TxDS：從IDLE狀態開始，在此狀態中，將位計數(BitCnt)設置為0、Ready設置為1(告訴前級模塊此時為空閑可以將數據并行傳入)，將空閑時為高電平(TxD)設置為1；當并行數據有效(Valid=1)，將BitCnt設置為10，將要發送的數據(TxDdata)放入臨時變量(Tmp)，Ready設置為0(告訴前級模塊正在發送數據，不要再將新的數據傳入)從而進入起始位的發送；進入START狀態，發送起始位(TxD=0)，當波特率發生器(RateCnt)從15降到0時即控制每一位發送的時間，進入RSHIFT狀態(發送數據位)；在RSHIFT中，BitCnt減1(即1位發送完畢)，將存放在Tmp中待發送數據的最低位取出(發送時先發送最低位)，然后Tmp右移1位(準備下一次次低位的發送)，當BitCnt減到2時，進入STOP狀態；在STOP狀態中，發送停止位高電平(TxD=1)。
CnTS：波特率發生器。
(2)UART接收模塊的STATEFLOW建模如圖3所示。RxDS、CnTS、RTS并行工作。
RxDS：在IDLE狀態中，將BitCnt置0，判起始位是否到來，如果為0，進入START中，BitCnt加1變為1。當RateCnt從7減到0時，即在該位的中間時進行判斷，如果此時還為0，則確定其為起始位，進入DATA；當RateCnt從15減到0，即在每個數據位的中間對數據位進行判斷，將接收到的最低位存放在臨時變量Tmp的最高位。通過不斷的移位就會將接收到的最低位移到Tmp的最低位，在這個過程中BitCnt不斷加1，當BitCnt加到9時回到IDLE。
CnTS：波特率發生器。
RTS：負責后續模塊之間的握手。
(3)為了生成HDL代碼，必須將UART發送模塊和接收模塊的STATEFLOW建模部分做成子系統，分別如圖4、圖5所示。
(4)將發送模塊與接收模塊連接成整個Simulink模型，如圖6所示。
(5)UART模型的仿真運行結果如圖7所示。
(6)將發送與接收的代碼在Quartus II下做成Symbol，并組成頂層圖形文件，如圖8所示。
(7)在Quartus II下仿真。
①發送模塊在Quartus II下的仿真如圖9所示。
②接收模塊在Quartus II下的仿真如圖10所示。
③頂層圖形文件在Quartus II下的仿真如圖11所示。
本文在Simulink環境下，用STATEFLOW對UART進行建模。事實表明，用STATEFLOW建模克服了手寫代碼易出錯、效率低等弊端，在了解UART原理的基礎上，可用直觀的模型將原理生動地表達出來，為FPGA設計人員提供了很大的便利，也為FPGA的設計提供了新的方式。
參考文獻
[1] 張威.STATEFLOW邏輯系統建模[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.