FPGA串口收发（四）：接收数据并转发，间隔时间发送
FPGA串口收发（四）：接收数据并转发，间隔时间发送
// Description: 串口收发：串口接收数据，内部生成数据，串口间隔特定时间发送数据
// 串口接收数据：串行信号线 1101_1000 ，转为并行数据，取反截取低4位 传递给led，再传递给data_gen,
// 发送数据： 0.1ms生成/发送一位数据，发送字符串"==HELLO WORLD=" （对应ASCII码），以及led值
1、源文件
uart_rx.v
uart_tx.v
uart_data_gen.v
uart_top.v
uart_data_gen.v
`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company: Myminieye
// Engineer: Nill
//
// Create Date: 2019-08-20 14:36
// Design Name:
// Module Name: uart_data_gen
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description: 产生的数据，用于串口发送
// 字符串"====HELLO WORLD==="
// 每秒1s产生一个字符，有可能再加上串口接收的数据（ write_max_num 比8'h14 大时）
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
`define UD #1
module uart_data_gen #(
parameter CLK_CNT_1S = 26'h0FA0 //定义参数，计数次数
//晶振40MHz，1s需要计数的 40M次 = 40*10^6 = 0x2625A00
//parameter clk_cnt = 26'h2625A00;
)
(
input clk,
input rst_n,
input [7:0] read_data,
input tx_busy,
input [7:0] write_max_num, //字符串长度，发送的最大字符数 8'h14（20个）
output reg [7:0] write_data, //生成的数据，传出给到串口发送模块 uart_tx
output reg write_en //开始生成数据，传递给uart_tx模块，开启串口发送状态tx_en
);
//==========================================================================
//wire and reg 定义：信号与参数
//==========================================================================
reg [25:0] time_cnt=0; //计数次数，记到26'h2625A00
reg [ 7:0] data_num; //8位数字，位数
// 设置串口发射工作区间
reg work_en=0;
reg work_en_1d=0;
//==========================================================================
//内部信号触发，生成数据使能 work_en ：1s计时， 每秒产生一个字符
//==========================================================================
//计数递增，与计数截止的if分开
always @(posedge clk)
begin
time_cnt <= `UD time_cnt + 26'd1;
end
//============ work_en使能，开始生成数据：内部计时1s， ============
//计数时间到，work_en生成数据使能，一个字符串/每秒
always @(posedge clk)
begin
if(time_cnt == CLK_CNT_1S) //计数到1s
//if(time_cnt == 5'd2048)
work_en <= `UD 1'b1; //开始生成数据
else if(data_num == write_max_num-1'b1)//第19个字符
work_en <= `UD 1'b0; //生成数据结束
end
//生成数据使能，打一拍：work_en_1d比work_en，慢一拍
//计时刚到1s，work_en为1，work_en_1d为0
always @(posedge clk)
begin
work_en_1d <= `UD work_en;
end
//==========================================================================
//外部信号触发：串口发送模块接触忙碌，获取tx_busy的下降沿
//==========================================================================
//===========发送寄存器，输入状态 tx_busy_f ：忙->空闲============
//获取tx_busy的下降沿，从忙变成不忙：1变成0
reg tx_busy_reg = 0;
wire tx_busy_f;
//发送忙状态，打一拍
always @ (posedge clk)
tx_busy_reg <= `UD tx_busy;
//tx_busy_f，下降沿fall
assign tx_busy_f = (!tx_busy) && (tx_busy_reg);
//==========================================================================
//内部信号和外部信号，综合触发
//1、内部状态，触发产生数据动作：write_pluse 高有效，每秒产生一个字符
//2、外部状态，write_pluse -> write_en -> 输出，触发串口发送
//==========================================================================
//===============触发信号：产生数据 & 发送数据==================
/*
@功能1： 计时刚到1s，可以发送，字符串的下一个数据，给出触发信号
（若发送状态机没走完，还是忙，等走完再发送）
@数据流1： work_en + work_en_1d -> write_pulse(data_gen) -> write_en(data_gen) -> tx_en(top) -> tx_pulse(uart_tx)
@功能2： （计时1s多）解除忙状态，执行发送，字符串的下一个数据，给出触发信号
@数据流2： tx_busy -> tx_busy_f -> write_pulse(data_gen) -> write_en(data_gen) -> tx_en(top) -> tx_pulse(uart_tx)
@功能3： 1s刚到，此时发送也解除了忙，执行发送，给出触发信号
*/
//========1、 触发产生数据动作：write_pluse 高有效=======
reg write_pluse;
always @ (posedge clk)
begin
if(!rst_n)
write_pluse <= `UD 1'b0;
else if(work_en) //此时，计时到了1s
begin
if(~work_en_1d || tx_busy_f)
//1、work_en_1d=0，刚到1s（上一刻还没计数完，还是0），每1s发送
//2、tx_busy_f=1，早就到了1s，而且刚解除发送忙（下降沿）。 -> 相当于发送模块这8位发完了，传出tx_busy不忙，进入data_gen，又返回发送模块，触发下一组8位发送
write_pluse <= `UD 1'b1;
else
write_pluse <= `UD 1'b0;
/*// 把 或关系||拆开，换个写法
if(~work_en_1d)
write_pluse <= `UD 1'b1;
else if ( tx_busy_f)
write_pluse <= `UD 1'b1;
else
write_pluse <= `UD 1'b0;
*/
end
else
write_pluse <= `UD 1'b0;
end
//==========2、开始生成数据状态 write_en，高有效，输出 ========
//打一拍，作为发送触发，反馈给输出模块
always @(posedge clk)
begin
write_en <= `UD write_pluse; //write_en比 write_pluse 慢一拍
end
//=================产生数据1：数据位递增======================
//
always @ (posedge clk)
begin
if ( !rst_n )
data_num <= `UD 8'h0;
else if ( ~work_en & tx_busy_f )
//从0开始发送新的字符串：字符串（20个字符）发完了，并且发送状态刚解除忙（下降沿）
data_num <= 8'h0; //源代码为 7'h0?
else if ( write_pluse )
//此字符串，发送下一个字符：计时刚到1s，或者1s多了解除了发送忙状态
data_num <= data_num + 8'h1;
end
//================== 产生数据2：向外送出字符串 "====HELLO WORLD==="
// 字符的对应ASCII码
// H:0x48 E:0x45 L:0x4C O:0x4F W:0x57 R:0x52 D:0x44
always @ (posedge clk)
begin
case(data_num)
8'h0 ,
8'h1 ,
8'h2 ,
8'h3 : write_data <= `UD 8'h3D;// ASCII code is =
8'h4 : write_data <= `UD 8'h48;// ASCII code is H
8'h5 : write_data <= `UD 8'h45;// ASCII code is E
8'h6 : write_data <= `UD 8'h4C;// ASCII code is L
8'h7 : write_data <= `UD 8'h4C;// ASCII code is L
8'h8 : write_data <= `UD 8'h4F;// ASCII code is 0
8'h9 : write_data <= `UD 8'h20;// ASCII code is
8'ha : write_data <= `UD 8'h57;// ASCII code is W
8'hb : write_data <= `UD 8'h4F;// ASCII code is O
8'hc : write_data <= `UD 8'h52;// ASCII code is R
8'hd : write_data <= `UD 8'h4C;// ASCII code is L
8'he : write_data <= `UD 8'h44;// ASCII code is D
8'hf ,
8'h10 ,
8'h11 : write_data <= `UD 8'h3D;// ASCII code is =
8'h12 : write_data <= `UD 8'h0d;//回车
8'h13 : write_data <= `UD 8'h0a;//换行
default: write_data <= `UD read_data;//默认态，数字保持不变，输入数据转发出去
//在top模块中修改 write_max_num，比8'h14 大时，可以把串口接收的数据（给到led）再发出去
endcase
end
endmodule
uart_top.v
`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company: Myminieye
// Engineer: Nill
//
// Create Date: 2019-08-20 14:36
// Design Name:
// Module Name: uart
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description: 串口收发数据
// 串口接收的数据，取反，点亮LED灯：
// 高电平点亮， 发送数据为 0xF0 或者 11110000
// 串口发送的数据，由data_gen生成，发送字符串"====HELLO WORLD==="，每秒发一个字符，加换行回车共计19个
// 若 write_max_num比8'h14大，可以把串口接收的数据（给到led）再发出去
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
`define UD #1
module uart_top #(
parameter BPS_NUM = 16'd347, // 时钟/波特率，1 bit位宽所需时钟周期的个数
CLK_CNT_1S = 16'h0FA0 //1s发一次，40M次 = 40*10^6 = 0x2625A00
//0.1ms一次， 40M*10^(-4) = 40*10^6*10^(-4) = 40*100=4000
// parameter BPS_4800: 40MHz set 8333 ； 50MHz set 10417
// parameter BPS_9600: 40MHz set 4167 ； 50MHz set 5208
// parameter BPS_115200: 40MHz set 347； 50MHz set 434
)
(
//input ports
input clk,
input rst_n,
input uart_rx,
//output ports
output [3:0] led,
output uart_tx,
//仿真追加：传递以下变量
output [7:0] rx_data, //串口接收的数据
output rx_finish, //串口接收数据有效，接收完成拉高1个BPS
output [7:0] tx_data, //产生的数据（含接收的数据）
output tx_finish //串口发送数据结束标志，8位数据发完，拉高一个BPS
);
//LED指示灯：BK12_W15,17,14,16 -> led[0],1,2,3（变量命名）-> LED4,3,2,1 (丝印从下到上)
//==========================================================================
//wire and reg 定义：信号与参数
//==========================================================================
wire tx_busy; //transmitter is free.
wire tx_en; //开启串口发送，整个发送周期都拉高
wire [7:0] write_data;
assign tx_data = write_data;
reg [7:0] write_max_num = 8'h15;//发送字符串位数，20位
//在top模块中修改 write_max_num，比8'h14 大时，可以把串口接收的数据（给到led）再发出去
reg [7:0] receive_data;
always @(posedge clk)
receive_data <= led ;
//==========================================================================
//调用top模块
//==========================================================================
//产生数据,1s一个
uart_data_gen #(
.CLK_CNT_1S ( CLK_CNT_1S )
)
u_uart_data_gen(
.clk ( clk ),//input clk,
.rst_n ( rst_n ),//input rst_n,
.read_data ( receive_data ),//input [7:0] read_data,
.tx_busy ( tx_busy ),//input 输入，串口发送忙状态
.write_max_num( write_max_num),//input [7:0] write_max_num,
.write_data ( write_data ),//output reg [7:0] 生成的数据
.write_en ( tx_en ) //output reg 输出，当前为生成数据状态
);
//串口发送
uart_tx #(
//.CLK_SYS ( SYS_CLK_FRE), //系统时钟
.BPS_NUM ( BPS_NUM ) // 时钟/波特率，1 bit位宽所需时钟周期的个数
)
u_uart_tx(
.clk ( clk ),// input clk,
.tx_data ( tx_data ),// input [7:0] tx_data,
.tx_pulse ( tx_en ),// input 外部输入，开始产生数据->开启串口发送状态
.uart_tx ( uart_tx ),// output reg uart_tx,
.tx_busy ( tx_busy ), // output 输出，串口接收忙状态
.tx_finish( tx_finish) // output //串口发送数据结束标志，8位数据发完，拉高一个BPS
);
//串口接收
uart_rx #(
//.CLK_SYS ( SYS_CLK_FRE), //系统时钟
.BPS_NUM ( BPS_NUM ) // 时钟/波特率，1 bit位宽所需时钟周期的个数
)
u_uart_rx (
.clk ( clk ),// input clk,
.uart_rx ( uart_rx ),// input uart_rx,
.rx_data ( rx_data ),// output reg [7:0] rx_data,
.rx_finish ( rx_finish ) // output 串口接收数据有效，接收完成拉高1个BPS
//.rx_end ( rx_end ) // output //接收到停止位，拉高1个clk，没啥用
);
assign led = ~rx_data;//8位数据截断高4位，只剩下低4位
endmodule
2、仿真文件 testbench
tb_uart_top.v
`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////SimulationCode:Test Bench/////////////////////////////////////
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2020/05/21
// Design Name:
// Module Name: tb_uart_top
// Project Name: 串口收发的测试文件
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description: 串口收发：串口接收数据，内部生成数据，串口间隔特定时间发送数据
// 串口接收数据：串行信号线 1101_1000 ，转为并行数据，取反截取低4位 传递给led，再传递给data_gen,
// 发送数据： 0.1ms生成/发送一位数据，发送字符串"====HELLO WORLD===" （对应ASCII码），以及led值
// Dependencies:
// 仿真周期 run 3ms
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
`define UD #1
module uart_top_tb;
//==========================================================================
//定义：信号与参数
//==========================================================================
reg sim_clk; //模拟时钟信号
//reg tx_pulse; // active posedge
reg sim_rst_n;
// input to rx module
reg sim_uart_rx; //串口发送信号线
//output from rx module
wire [3:0] sim_led; //接收数据，取反，取低4位，传给led
wire sim_uart_tx; //串口接收数据有效，接收完成拉高1个BPS
//================================
//仿真追加：将以下变量从下级模块中传出来
// uart_rx/tx -> uart_top -> uart_top_tb
//================================
wire rx_finish ; //串口接收数据结束，接收完成拉高1个BPS
reg rx_finish_reg;
wire tx_finish ; //串口发送数据结束，8位数据发完，拉高一个BPS
reg tx_finish_reg;
wire [7:0] rx_data ; //串口接收的数据（8位）
wire [7:0] tx_data ; //串口发送的数据（生成的字符串 + 接收的8位数据）
//时钟参数
parameter SYS_CLK_FRE = 40_000_000; //系统频率40MHz 40_000_000
parameter SYS_CLK_PERIOD = 1_000_000_000/SYS_CLK_FRE; //周期25ns
parameter RST_CYCLE = 5; //复位持续时间，clk时钟周期数
parameter RST_TIME = RST_CYCLE * SYS_CLK_PERIOD; //复位时间：5个时钟周期
//波特率参数
parameter BAUD_RATE = 115200; //串口波特率
parameter BAUD_RATE_PERIOD = 1_000_000_000/BAUD_RATE;
//波特率周期，0.104ms = 104us，1/9600 s = 1^9 /9600 ns = 4167 sim_clk
//波特率周期， 1/115200 = 8680 ns = 8.7us = 347 sim_clk
//波特率+时钟参数
parameter [15:0] BPS_NUM = SYS_CLK_FRE / BAUD_RATE; //时钟/波特率，用时钟周期构造波特率周期
// BPS_NUM = 40_000_000/115200 = 347.22 = 16'd347
// 1 bit位宽所需时钟周期的个数。最长的波特率计数，10417，二进制有14位，取16位
// parameter BPS_4800: 40MHz set 8333 ； 50MHz set 10417
// parameter BPS_9600: 40MHz set 4167 ； 50MHz set 5208
// parameter BPS_115200: 40MHz set 347； 50MHz set 434
//串口发送数据的周期
parameter CLK_CNT_1S = 16'h0FA0; //仿真改为：0.1ms一次， 40M*10^(-4) = 40*10^6*10^(-4) =4000 = 0xFA0
//实际：1s发一次，40M次 = 40*10^6 = 0x2625A00 //CLK_CNT_1S = 26'h2625A00
//==========================================================================
//logic：逻辑信号初始化与判断
//==========================================================================
//模拟系统时钟:40MHz，25ns
always #((SYS_CLK_PERIOD+1)/2-1) sim_clk = ~sim_clk; //延时，电平翻转
//若以rx_finish/tx_finish 触发，则rx_data/tx_data还是上一刻的数据
//打一拍，延迟，rx_data/tx_data数值已改变
always @(posedge sim_clk) begin
rx_finish_reg <= `UD rx_finish;
tx_finish_reg <= `UD tx_finish;
end
always @(posedge rx_finish_reg)
$display("Note 2 :The rx_data 8'h%h has received.",rx_data); //命令行显示：rx_data
always @(posedge tx_finish_reg)
$display("Note 4 :The rx_data 8'h%h has received.",tx_data); //命令行显示：tx_data
/*
always @(posedge sim_clk) begin
if(tx_finish_reg && ~tx_finish) begin //接收数据完成（触发1次）
sim_tx_data <= `UD tx_data;
$display("Note 4 :The tx_data 8'h%h has been sent.",sim_tx_data); //命令行显示：tx_data
end
end
*/
//==========================================================================
//模拟：信号的输入，显示输出结果
//==========================================================================
initial begin
//模拟复位信号：拉低一次
#0;
sim_clk = 1'b0;
sim_rst_n = 1'b0; //复位拉低，有效，
sim_uart_rx = 1'b1; //串口线，默认高，起始拉低
//rx_data <= `UD 8'h00; //rx_data 初始化，在 uart_rx中完成
//#RST_TIME; //延时：保持足够长时间（至少5个clk）
#BAUD_RATE_PERIOD; //5个clk时间轴太短，仿真改为1个BPS，更明显
sim_rst_n = 1'b1; //解除复位
//==========================================================================
//模拟串口接收：串行信号输入，转化成并行数据，并显示
//==========================================================================
sim_uart_rx = 1'b1; //串口发送线，默认拉高
repeat( BPS_NUM*1 ) @(posedge sim_clk); //循环347个时钟周期，即一个波特率周期
//#BAUD_RATE_PERIOD; //直接延时，一个波特率周期
$display("Note 1 : Initialization complete. BAUD_RATE is %d",BAUD_RATE); //命令行显示初始化完成，输出BAUD_RATE
//串口：起始位
sim_uart_rx = 1'b0;
#BAUD_RATE_PERIOD;
//串行数据，一位一位送入接收信号线：***从位0到位7***，依次发送
//测试数据为8'hD8=8'b1101_1000
sim_uart_rx = 1'b0;
#BAUD_RATE_PERIOD;
sim_uart_rx = 1'b0;
#BAUD_RATE_PERIOD;
sim_uart_rx = 1'b0;
#BAUD_RATE_PERIOD;
sim_uart_rx = 1'b1;
#BAUD_RATE_PERIOD;
sim_uart_rx = 1'b1;
#BAUD_RATE_PERIOD;
sim_uart_rx = 1'b0;
#BAUD_RATE_PERIOD;
sim_uart_rx = 1'b1;
#BAUD_RATE_PERIOD;
sim_uart_rx = 1'b1;
$display("Note 2 : The uart_rx 8'hD8 = 8'b1101_1000 has been sent."); //命令行显示：串口信号线数据已发送
#BAUD_RATE_PERIOD;
//串口：结束位
sim_uart_rx = 1'b1;
#BAUD_RATE_PERIOD;
$display("Note 3 :*** The led data 8'h%h has received.",sim_led); //命令行显示：sim_led
//命令行显示：串口信号线接收已结束，显示接收到的数据
//==========================================================================
//模拟串口发送：并行数据，串行输出
//==========================================================================
//*** data_gen模块生成字符串，以及串口接收的数据，依次从串口输出***
repeat( BPS_NUM*1 ) @(posedge sim_clk); //循环347个时钟周期，即一个波特率周期
//#BAUD_RATE_PERIOD; //直接延时，一个波特率周期
//传递 第一组数据：8位并行数据，一次性送入串口发送模块
//sim_tx_data = rx_data; //串口接收数据，传给串口发送
#BAUD_RATE_PERIOD;
//开启触发信号：串口发送
//tx_pulse = 1; //用 rx_en 代替 模拟tx_pulse，直接触发
#BAUD_RATE_PERIOD; //rx_en 串口接收数据有效，接收完成拉高1个BPS
//结束触发：串口发送
//tx_pulse = 0;
#BAUD_RATE_PERIOD;
//0.1ms发一次数据，20位有2ms = 250个 BPS
repeat( BPS_NUM*250 ) @(posedge sim_clk);//等待发送数据完成（触发20次）
$stop; //结束仿真
end
//initial
//==========================================================================
//调用top模块
//==========================================================================
uart_top #(
.BPS_NUM ( BPS_NUM ), // 时钟/波特率，1 bit位宽所需时钟周期的个数
.CLK_CNT_1S ( CLK_CNT_1S ) //串口发送数据的周期
)
sim_uart_top(
.clk (sim_clk),
.rst_n (sim_rst_n),
.uart_rx (sim_uart_rx),
.led (sim_led),
.uart_tx (sim_uart_tx),
//仿真追加：将以下变量从下级模块中传出来
// uart_rx/tx -> uart_top -> uart_top_tb
.rx_data (rx_data ),
.rx_finish(rx_finish),
.tx_data (tx_data ),
.tx_finish(tx_finish)
);
endmodule
//module uart_top_tb
//循环移位发送数据
/*
parameter uart_rx_data =
initial begin
//模拟复位信号：一次，低电平5个clk
#0;
sim_clk = 1'b0;
sim_rst_n = 1'b0; //复位拉低，有效，
sim_uart_rx = 1'b1; //串口发送线，默认拉高
#RST_TIME; //延时：保持足够长时间（5个clk）
sim_rst_n = 1'b1; //解除复位
repeat( 10 ) begin
//串口起始信号：高电平到低电平（下降沿）
#BAUD_RATE_PERIOD;
sim_uart_rx = 1'b1; //时间延迟BPS_CNT ns， 检查`timescale 1 ns/ 1 ps
#BAUD_RATE_PERIOD;
sim_uart_rx = 1'b0;
repeat(12560) @(posedge sim_clk);
end
end
//串口数据信号：从第0位到第7位, 第8位停止位
always @(posedge data_clk) begin
if( cnt == 4'h8 ) begin
cnt <= 1'b0;
sim_uart_rx = 1'b1; //第8位后，停止位也为1
$display("Running testbench：Pass"); //在命令行显示pass这串字符。
end
else begin
cnt <= cnt +1'b1;
sim_uart_rx <= uart_rx_data[cnt];
end
end
*/
3、仿真结果
ModelSim波形
忘了标记，接收数据取反，截取，最后一位 07，也输出了
命令行：
生成数据代码对比
