FPGA基础入门【11】开发板USB-UART串口通信配置
上一篇教程介绍了NEXYS4 开发板中DDR2的使用方式，这一篇介绍不可或缺的网络接口RJ45在FPGA开发板中的使用
FPGA基础入门【11】开发板USB-UART串口通信配置
- 开发板串口芯片
- 逻辑设计
- 源代码
- 模拟仿真
- Testbench
- 仿真脚本
- 仿真结果
- 编译测试
- 结果观察
- 总结
开发板串口芯片
NEXYS 4开发板自带一根USB mini-B线，在板子上的接口上写着PROG_UART，就是程序烧写和UART串口通信通用接口复用的。
用来实现串口通信的芯片名称是FTDI（Future Technology Devices International） FT2232HQ，它的文档链接在此：datasheet
NEXYS 4文档中写着，为了实现和FPGA的串口通信，还需要下载一个VCP（Virtual Com Port）驱动。各种不同的平台需要的软件可以从这个网站找到，我下载的是Windows x64：www.ftdichip.com。记得要点击右边的setup executable来下载安装，而不是点击版本号（为什么一定要做这么麻烦）：懒人链接
但是我用Putty可以直接收发数据，并没有多大问题，可以跳过VCP驱动这一步直接开始
在开发板中FTDI和FPGA的连接如下：
TXD和RXD分别是串行收发信号，RTS是Require ToSend，CTS是Clear ToSend，作为连接时候的握手信号。从这里发现，这个接口没用提供任何控制配置接口，只有数据接口。它意味着初始配置由其他结构控制，我们只能使用它。因此这次我们不具体研究FTDI芯片的细节。
串口的时序如下
图中用的波特率是9600，但我们用的是115200bps。发送以10位为一个单位，第一位拉低表示开始，接着八位从数据的低位开始直到最高位，最后把电平拉高表示结束。至于CTS和RTS，它们是低电平有效，平时是高电平，在有数据从PC发给FPGA时，就会把RTS拉低，这时需要把CTS拉低做回应。
逻辑设计
这篇教程的计划是，看到RTS拉低，就相应的把CTS拉低做回应，然后循环传回提前指定好的数据。
源代码
module uart(
input clk,
input rst,
output reg led,
// UART port
input RXD,
output reg TXD,
output reg CTS,
input RTS
);
接口定义，LED接在RTS上，看是否有信号从PC传来
(* dont_touch = "true" *)reg RXD_d;
(* dont_touch = "true" *)reg RTS_d;
reg [15:0] tx_count;
reg [39:0] tx_shift;
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if(rst) begin
RXD_d <= 1'b0;
RTS_d <= 1'b0;
end
else begin
RXD_d <= RXD;
RTS_d <= RTS;
end
end
把RXD和RTS接到的数据保存下来，到chipscope中观察
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if(rst) begin
TXD <= 1'b1;
tx_shift <= {10'b0011000101, 10'b0101010101, 10'b0110000101, 10'b0110100101};
end
else begin
if(tx_count < 16'd867) begin
tx_count <= tx_count + 16'd1;
end
else begin
tx_count <= 16'd0;
end
if(tx_count == 16'd0) begin
TXD <= tx_shift[39];
tx_shift <= {tx_shift[38:0], tx_shift[39]};
end
end
if(rst) begin
CTS <= 1'b1;
end
else begin
CTS <= 1'b0;
end
end
保持CTS低电位，持续循环输出提前设置好的数据。具体数据内容可以参考UTF-8表格，注意把码反过来。比如说字母F的UTF-8码是0x46=8’b01000110，那么反过来再加上头尾就变成了10’b0011000101
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if(rst) begin
led <= 1'b0;
end
else begin
led <= RTS;
end
end
endmodule
模拟仿真
Testbench
Testbench如下：
`timescale 1ns/1ns
module tb_uart;
reg clock;
reg reset;
wire led;
reg RXD;
wire TXD;
wire CTS;
reg RTS;
定义资源
initial begin
clock = 1'b0;
reset = 1'b0;
RXD = 1'b1;
RTS = 1'b1;
// Reset for 1us
#100
reset = 1'b1;
#1000
reset = 1'b0;
#10000
RTS = 1'b0;
repeat(10) begin
#867;
RXD = ~RXD;
end
end
// Generate 100MHz clock signal
always #5 clock <= ~clock;
初始化信号，生成时钟，并且在最开始给予一个字符
uart uart(
.clk (clock),
.rst (reset),
.led (led),
// UART port
.RXD (RXD),
.TXD (TXD),
.CTS (CTS),
.RTS (RTS)
);
endmodule
仿真脚本
再写一个仿真脚本sim.do：
vlib work
vlog ../src/uart.v ./tb_uart.v
vsim work.tb_uart -voptargs=+acc +notimingchecks
log -depth 7 /tb_uart/*
#do wave.do
run 1ms
仿真结果
打开ModelSim，将路径切换到仿真文件夹后，调用脚本do sim.do，加入相应信号，结果如下：
可以看出TXD和CTS在输出期望中的信号
编译测试
新建一个叫uart的project，初始配置可以参考之前的教程。添加代码文件uart.v
下一步加入约束constraint文件uart.xdc，同样这是用标准模板取自己需要部分修改出来的（NEXYS 4 DDR Master XDC）：
## This file is a general .xdc for the Nexys4 DDR Rev. C
## To use it in a project:
## - uncomment the lines corresponding to used pins
## - rename the used ports (in each line, after get_ports) according to the top level signal names in the project
## Clock signal
set_property -dict {PACKAGE_PIN E3 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports clk]
create_clock -period 10.000 -name sys_clk_pin -waveform {0.000 5.000} -add [get_ports clk]
##Switches
set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports rst]
## LEDs
set_property -dict {PACKAGE_PIN H17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led]
##USB-RS232 Interface
set_property -dict {PACKAGE_PIN C4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports RXD]
set_property -dict {PACKAGE_PIN D4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports TXD]
set_property -dict {PACKAGE_PIN D3 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports CTS]
set_property -dict {PACKAGE_PIN E5 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports RTS]
到这里可以点击 Run Synthesis做综合，几秒钟完成后用Set Up Debug配置ChipScope：
设置观察长度为8192，因为串口的频率是115200Hz，和时钟频率比起来很低，需要多观察一段时间。下面就可以Run Implementation和Generate Bitstream生成配置文件了。
和前面的教程一样，USB线连接NEXYS4板子，开启Hardware Manager，然后auto连接上板子，Program Device烧写进程序，注意Debug probes file有对应的ltx文件。
结果观察
现在我们要配置PC端的串口通信软件，就像前面说的，我推荐使用Putty，简单好用，其他很多地方可以用，下载链接就不附了，可以自己找。配置如下：
这里具体用哪个串口COM是可以在设备管理器device manager里看到的，如果找不到，你可以拔一下开发板的USB，看一下哪个消失了，我这里是COM4。
还有一个需要配置的要到左侧Connection -> Serial里，按照图中来配置。到这里就可以开启了。emmmmmmm：
再来配置ChipScope的配置，trigger配置成RTS，这个信号平时是高电平，拉低代表着收到有效信号。开启捕捉后，可以重开一次putty，因为刚刚连接的时候会给一个有效信号，在ChipScope中看到的信号是这样的：
总结
这一篇教程相对短一些，因为串口是作为低速低复杂度的点对点传输，主要存在的意义就是方便传输低速信号，将来做一些需要传回复杂字符数据的时候就可以调用相应代码。
下一篇介绍如何使用开发板上的USB接口，接收键盘和鼠标的信号