基于FPGA的串口指令帧接收与解析的verilog代码

基于FPGA的串口指令帧接收与解析的verilog代码
网上的verilog串口指令帧接收与解析源码很多，但大多数都说不到点子上，对初学者来说很不友好，今天分享一个自己调通的小工程。
串口指令帧格式如下：

串口接收模块直接用的正点原子的源码，个人感觉正点原子的代码虽然写得冗杂，但严谨性还行，数据在波特率计数周期的中间点采集，源码如下：

module uart_recv(
    input			  sys_clk,                  //系统时钟
    input             sys_rst_n,                //系统复位，低电平有效   
    (*mark_debug ="true"*) input             uart_rxd,                 //UART接收端口
    (*mark_debug ="true"*) output  reg       uart_done,                //接收一帧数据完成标志信号
    (*mark_debug ="true"*) output  reg [7:0] uart_data                 //接收的数据
    );
    
//parameter define
parameter  CLK_FREQ = 100_000_000;                 //系统时钟频率
parameter  UART_BPS = 230400;                     //串口波特率
localparam BPS_CNT  = CLK_FREQ/UART_BPS;        //为得到指定波特率，
                                                //需要对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg        uart_rxd_d0;
reg        uart_rxd_d1;
reg [15:0] clk_cnt;                             //系统时钟计数器
reg [ 3:0] rx_cnt;                              //接收数据计数器
reg        rx_flag;                             //接收过程标志信号
reg [ 7:0] rxdata;                              //接收数据寄存器

//wire define
wire       start_flag;

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************
//捕获接收端口下降沿(起始位)，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign  start_flag = uart_rxd_d1 & (~uart_rxd_d0);    

//对UART接收端口的数据延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin 
    if (!sys_rst_n) begin 
        uart_rxd_d0 <= 1'b0;
        uart_rxd_d1 <= 1'b0;          
    end
    else begin
        uart_rxd_d0  <= uart_rxd;                   
        uart_rxd_d1  <= uart_rxd_d0;
    end   
end

//当脉冲信号start_flag到达时，进入接收过程           
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin         
    if (!sys_rst_n)                                  
        rx_flag <= 1'b0;
    else begin
        if(start_flag)                          //检测到起始位
            rx_flag <= 1'b1;                    //进入接收过程，标志位rx_flag拉高
        else if((rx_cnt == 4'd9)&&(clk_cnt == BPS_CNT/2))
            rx_flag <= 1'b0;                    //计数到停止位中间时，停止接收过程
        else
            rx_flag <= rx_flag;
    end
end

//进入接收过程后，启动系统时钟计数器与接收数据计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin         
    if (!sys_rst_n) begin                             
        clk_cnt <= 16'd0;                                  
        rx_cnt  <= 4'd0;
    end                                                      
    else if ( rx_flag ) begin                   //处于接收过程
            if (clk_cnt < BPS_CNT - 1) begin
                clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
                rx_cnt  <= rx_cnt;
            end
            else begin
                clk_cnt <= 16'd0;               //对系统时钟计数达一个波特率周期后清零
                rx_cnt  <= rx_cnt + 1'b1;       //此时接收数据计数器加1
            end
        end
        else begin                              //接收过程结束，计数器清零
            clk_cnt <= 16'd0;
            rx_cnt  <= 4'd0;
        end
end

//根据接收数据计数器来寄存uart接收端口数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin 
    if ( !sys_rst_n)  
        rxdata <= 8'd0;                                     
    else if(rx_flag)                            //系统处于接收过程
        if (clk_cnt == BPS_CNT/2) begin         //判断系统时钟计数器计数到数据位中间
            case ( rx_cnt )
             4'd1 : rxdata[0] <= uart_rxd_d1;   //寄存数据位最低位
             4'd2 : rxdata[1] <= uart_rxd_d1;
             4'd3 : rxdata[2] <= uart_rxd_d1;
             4'd4 : rxdata[3] <= uart_rxd_d1;
             4'd5 : rxdata[4] <= uart_rxd_d1;
             4'd6 : rxdata[5] <= uart_rxd_d1;
             4'd7 : rxdata[6] <= uart_rxd_d1;
             4'd8 : rxdata[7] <= uart_rxd_d1;   //寄存数据位最高位
             default:;                                    
            endcase
        end
        else 
            rxdata <= rxdata;
    else
        rxdata <= 8'd0;
end

//数据接收完毕后给出标志信号并寄存输出接收到的数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin        
    if (!sys_rst_n) begin
        uart_data <= 8'd0;                               
        uart_done <= 1'b0;
    end
    else if(rx_cnt == 4'd9) begin               //接收数据计数器计数到停止位时           
        uart_data <= rxdata;                    //寄存输出接收到的数据
        uart_done <= 1'b1;                      //并将接收完成标志位拉高
    end
    else begin
        //uart_data <= 8'd0;     
        uart_data <= uart_data;                               
        uart_done <= 1'b0; 
    end    
end

endmodule	

每当接收到一个字节的数据，uart_done就会拉高一个时钟周期，同时输出一个字节的数据；
串口数据帧解析可分为6个状态：
接收到AA–>状态1；
接收到BB–>状态2；
接收完4个字节的数据–>状态3；
接收到和校验–>状态4；
接收到CC–>状态5；
接收到DD–>状态6；
设置一个计数器rx_done_cnt，初始值0，当uart_done 拉高时计数一次，由此可知：
当收到AA时，rx_done_cnt=1；
当收到BB时，rx_done_cnt=2；
当收到DATA1时，rx_done_cnt=3；
当收到DATA2时，rx_done_cnt=4；
当收到DATA3时，rx_done_cnt=5；
当收到DATA4时，rx_done_cnt=6；
当收到和校验时，rx_done_cnt=7；
当收到CC时，rx_done_cnt=8；
当收到DD时，rx_done_cnt=9；
当收到rx_done_cnt=9时，rx_done_cnt清零，准备下一帧数据接收；

那么，状态机status，初始值status=0，的逻辑也就清晰了，如下：
当status=0&&rx_done_cnt=1&&uart_data=AA时，status=1；–>收到了AA；
当status=1&&rx_done_cnt=2&&uart_data=BB时，status=2；–>收到了BB；
当status=2&&uart_data=AA时，status=3；–>收到了4个字节的数据；
当status=3&&data_sum_ok=1时，status=4；–>和校验正确；
当status=4&&rx_done_cnt=8&&uart_data=CC时，status=5；–>收到了BB；
当status=5&&rx_done_cnt=9&&uart_data=DD时，status=6；–>收到了BB；
如此设计，每个状态的值和跳转条件都与上一个状态密切相关，这样就可以保证，只要一帧数据错一个字节甚至是一个bit，状态机就会失效，接收就会失败，最大限度的保证了接收的正确性；我的该部分源码如下：

/status/
always @(posedge clk_100m) begin
	if(!rst_n) status<=8'd0;
	else if(status==8'd0&&rx_done_cnt==8'd1 && r_rx_data==8'haa) status<=8'd1;
	else if(status==8'd1&&rx_done_cnt==8'd2 && r_rx_data==8'hbb) status<=8'd2;	//进入接收有效数据阶段
	else if(status==8'd2&&rx_done_cnt==8'd7) status<=8'd3;	//进入和校验阶段
	else if(status==8'd3&&data_sum_ok==1'd1) status<=8'd4;	//校验和正确
	else if(status==8'd4&&rx_done_cnt==8'd8 && r_rx_data==8'hcc) status<=8'd5;
	else if(status==8'd5&&rx_done_cnt==8'd9 && r_rx_data==8'hdd) status<=8'd6;
	else if(status==8'd6) status<=8'd0;
end
/status/

当状态机status=6时，输出有效数据和有效脉冲，设计如下：

/valid_data_out/
always @(posedge clk_100m) begin
	if(!rst_n) o_x_data<='d0;
	else if(status==8'd6) o_x_data<={r_data1,r_data2,r_data3,r_data4};
end
/valid_data_out/

/valid_data_out_req/
always @(posedge clk_100m) begin
	if(!rst_n) o_req<='d0;
	else if(status==8'd6) o_req<=1'd1;
	else o_req<='d0;
end
/valid_data_out_req/

最后：整个源代码并未给出，目的是给兄弟们一个练手的机会，因为这个很简单，加之我的讲解，应该问题不大，如果你在自身尝试的基础上，实在搞不出来，可以加我VX要源码：hllsq22 我也可以给你适当的技术支持，教你怎么写。