本文所设计的系统实现了一个可简易汇编指令的微控制器MCU和一个计算机组成中的外围串行通信I／O设备。通过实现的一部分I／O输入／输出指令和条件跳转指令可实现与外设的通信控制。系统功能模块划分如图1所示。

2．1串行通信外设的设计与实现
在计算机系统组成中，串行通信占据重要地位，它的使用范围包括计算机与外部设备之间，计算机与计算机之间、甚至在进行前期CPU设计时都会用到。传统的设计方法是应用Intel公司的8250／8251或者美国半导体的16550等芯片，但因设计复杂，占用电路体积大，而且出现问题不容易跟踪定位，所以本文采用FPGA实现。将串行通信的关键器件UART集成到FPGA内部，增加系统的可靠性，缩小PCB板体积，使得系统更加紧致，且能根据需要进行适当的设计、扩充和裁剪。实现的该I／O设备功能划分如图2所示。

2．1．1UART模块的设计与实现
UART串行数据格式如图3所示，串行数据包括5～8位数据(可更改设置)、1位起始位、1～2位停止位、1位校验位。该模块主要由发送模块和接收模块两部分构成。在各自模块中分别由接收缓冲器、接收控制电路、发送缓冲区、发送控制电路、数据总线缓冲器、读写控制电路组成，逻辑框图如图4所示。

UART模块的发送模块和接收模块公用复位信号、时钟信号和并行数据线，并且有各自的输入／输出模块和控制电路单元。
(1)发送模块的设计。发送模块将从微控制器MCU送来的8位并行数据转换成图3所示的数据帧格式的串行数据发送出去。该模块分为3种工作模式：空闲模式、载入数据模式、移位模式输出模式。当并行的8位数据从微控制器MCU通过数据线写入发送FIFO(在以下2．1．2节实现)中时，发送模块自动将并行数据装入锁存器THR中，首先发送起始位0，然后根据LCR定义的数据格式将数据移位，并通过状态机和节拍器实现完整的发送序列，并以相应的波特率从TX发送出去。发送模块的状态机FSM如图5所示。
(2)接收模块的设计。接收模块接收串行输入的数据(见图3)，然后将其转换为并行数据送给微控制器MCU。与发送模块相同，也分为3种工作模式：空闲模式，检测起始位模式、移位输入模式。首先接收模块在接收时钟的控制下，不断地在RX端口检测输入数据的起始位，当检测到起始位后，接收模块由空闲模式转变为移位输入模式。此时通过RX端口进来的串行数据可能存在着些许抖动，因此需要添加消抖电路进行处理。消抖处理一般有两种办法，一种是在前端添加非门的R8触发器来完成，一种是类似软件的方式控制采集输入端的数据，并将前后采集的数据值进行比较，相同则保持，否则继续采集比较，这里采用的是后者。当接收完数据，更新接收缓冲区状态，以提供微控制器MCU查询，方便读取数据。接收模块的状态机FSME如图6所示。