【FPGA入门】第六篇、异步串口通信
目录
第一部分、相关知识
1、UART和RS232的区别
2、UART与USART的区别
3、全双工？
4、RS232通信协议
5、波特率
6、如何将外部异步信号变为内部同步信号？
7、什么时间点让FPGA去采集rx线上的数据？
第二部分、串口通信时序图
1、发送线RX流程
1.1、模块图
1.2、端口介绍
1.3、时序波形图
1.4、RX接收代码
2、接收线TX流程
2.1、模块图
2.2、时序波形图
2.3、 TX发送代码
3、Top层代码
第三部分、仿真代码的编写
1、testbench代码
2、仿真结果
3、上板测试
第四部分、总结
第一部分、相关知识
1、UART和RS232的区别
- UART就是一堆电路，是异步串行通信的一种电路实现；
- RS232属于异步串行通信方式，跟UART相比，区别仅在于UART使用的是TTL电平，而RS232使用的是另一种电平标准。
2、UART与USART的区别
UART：UART 的全称叫做通用异步收发传输器。
- 将数据在串行通信和并行通信间的传输转换。通俗的讲就是把多比特的数据转化为单比特的数据，或者把单比特的数据转化为多比特的数据。工作原理是将数据的每个 bit 一位接一位地传输。
- UART 是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收
USART：通用同步和异步收发器
- 当进行异步通信时,这两者是没有区别的。
- 区别在于USART比UART多了同步通信功能，因此USART可以提供一个主动的时钟线。使用外部时钟使 USART 的数据速率远高于标准 UART 的数据速率。
3、全双工？
全双工：表示发送和接收不会相互影响。
4、RS232通信协议
rs232 是 uart 的一种，有两根线，分别是 rx 和 tx，这两根线都是 1 比特位宽的。其中 rx 是接收线， tx 是发送线。
- rx，位宽为 1 比特， pc 机通过串口往 FPGA 发 8 比特数据时， FPGA 通过串口线 rx 一位一位地接收，从最低位到最高位依次接收，最后在 FPGA 里面位拼接成8 比特数据。
- tx，位宽为 1 比特， FPGA 通过串口往 pc 机发 8 比特数据时， FPGA 把 8 比特数据通过 tx 线一位一位的传给 pc 机，从最低位到最高位依次发送，最后上位机通过串口助手把这一位一位的数据位拼接成 8 比特数据。
在不发送或者不接收数据的情况下， rx 和 tx 处于空闲状态，此时 rx 和 tx 线都保持高电平
如果有数据传递，首先会有一个起始位(0)，然后是 8 比特的数据位，接着有 1 比特的停止位
如果停止位以后不再发数据，将进入空闲状态，否则又将数据线拉低(进入起始位状态)。
注意：起始位和停止位各算一位，因此一共是10位数据，而停止位不需要去做判断。
5、波特率
波特率：在串口通信时的速率，单位时间内载波变化的次数，这里选用的是9600Bd，即发送一比特数据需要的时间为 1/9600 秒。
用串口发送或者接收数据(起始位、数据位、停止位)时，每发送或者接收一位数据的时间都需要 1 个波特，即 1/9600 秒。
串口发送或者接收一比特数据的时间为一个波特(1/9600)，因此如果用 50M的系统时钟来计数，就需要记数 cnt=(1/9600s)/20ns≈5208 个系统时钟，才再次发送或者接收下一个数据。
注意：cnt=(1/9600s)/20ns≈5208.33 ，累计误差0.33 * 10 = 3ns，这个误差太小了，是不会影响到传输的。而且计数器每次都是从0开始计数，因此，该误差也不会累加。
上位机通过串口发 8 比特数据时，会自动在发 8 位有效数据前发一个波特时间的起始位，也会自动在发完 8 位有效数据后发一个停止位。同理，串口助手接收 fpga 发送的数据前，必须检测到一波特的起始位才会接收数据，接收完数据后，再接收一个停止位，所以 FPGA 通过串口除了发数据以外，还要发起始位和停止位。
6、如何将外部异步信号变为内部同步信号？
通过前面的介绍可知，RS232为通用异步收发传输器，那么rx传到FPGA内部的数据与系统的时钟是不匹配的，没有任何逻辑关系，因此要借助寄存器将rx进行打两拍操作后，才能用来进行逻辑运算。
这么做的目的是尽量降低亚稳态，如果不做这样 的处理，就可能导致采集的数据不稳定，只有做了亚稳态处理后的数据才在后面使用。
7、什么时间点让FPGA去采集rx线上的数据？
外部的数据通过 rx 线传到 FPGA， FPGA 采数据时，在中间时刻采数可以保证采的数据最 稳定。
第二部分、串口通信时序图
1、发送线RX流程
1.1、模块图
1.2、端口介绍
1.3、时序波形图
1.4、RX接收代码
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// Copyright (c) 2014-2023 All rights reserved
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// Author : BigFartPeach
// CSDN : 大屁桃
// E-mail : [email protected]
// File : uart_rx.v
// Create : 2023-06-20 12:45:49
// -----------------------------------------------------------------------------
module uart_rx(
input wire sclk,
input wire s_rst_n,
input wire rx,
output reg [7:0]po_data,
output reg po_flag
);
// //9600波特率参量
// parameter BAUD_END = 5207;//波特率9600，接收间隔最大计数MAXEND = 50M/9600 = 5208.33 - 1 = 5207
// parameter BAUD_HALF = 2602;//5208/2 - 1 = 2603,要在2603这里点看到波形
// parameter BAUD_BIT_WIDTH = 12;//5207需要13位来保存，[12:0]
//115200波特率参量
parameter BAUD_END = 433;//波特率115200，接收间隔最大计数MAXEND = 50M/115200 = 434.02 - 1 = 433
parameter BAUD_HALF = 216;//434/2 - 1 = 216
parameter BAUD_BIT_WIDTH = 8;//5207需要9位来保存，[8:0]
//变量
reg rx1;//用来降低亚稳态
reg rx2;//用来降低亚稳态
reg rx2_reg;//用来打拍rx2，判断下降沿
reg rx_flag;//rx信号有效标志位
reg [12:0]baud_cnt;//9600波特率的1个波特时间1/9600s的计数器
reg capture_flag;//中间采集数据的时间点
reg [3:0]capture_cnt;//采集数据的计数器
//利用移位寄存器打拍，打拍信号可以不加复位
always @(posedge sclk) begin
{rx2_reg,rx2,rx1} <= {rx2,rx1,rx};
end
//rx有效标志位,rx_flag
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
rx_flag <= 1'b0;
end
//rx_flag受baud_cnt影响，究竟是什么样的影响？
else if(capture_flag == 1'b1 && capture_cnt == 'd8)begin
rx_flag <= 1'b0;
end
else if (rx2 == 1'b0 && rx2_reg == 1'b1) begin
rx_flag <= 1'b1;
end
end
//一波特时间对应的计数器
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
baud_cnt <= 'd0;
end
else if(baud_cnt == BAUD_END)begin
baud_cnt <= 'd0;
end
//baud_cnt会计数到2603，若判断条件换成rx_flag == 1'b0，baud_cnt会计数到2604
else if(capture_flag == 1'b1 && capture_cnt == 'd8)begin
baud_cnt <= 'd0;
end
else if (rx_flag == 1'b1) begin
baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;
end
end
//中间采集数据的时间点标志
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
capture_flag <= 1'b0;
end
else if (baud_cnt == BAUD_HALF) begin
capture_flag <= 1'b1;
end
else begin
capture_flag <= 1'b0;
end
end
//采集数据的计数
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
capture_cnt <= 'd0;
end
else if (capture_cnt == 'd8 && capture_flag == 1'b1) begin
capture_cnt <= 'd0;
end
else if(capture_flag == 1'b1)begin
capture_cnt <= capture_cnt + 1'b1;
end
end
//输出po_data
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
po_data <= 'd0;
end
else if (capture_cnt >= 1'b1 && capture_flag == 1'b1) begin
po_data <= {rx2_reg,po_data[7:1]};
end
end
//输出结束标志
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
po_flag <= 1'b0;
end
else if (capture_cnt == 'd8 && capture_flag == 1'b1) begin
po_flag <= 1'b1;
end
else begin
po_flag <= 1'b0;
end
end
endmodule2、接收线TX流程
2.1、模块图
2.2、时序波形图
2.3、 TX发送代码
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// Copyright (c) 2014-2023 All rights reserved
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// Author : BigFartPeach
// CSDN : 大屁桃
// E-mail : [email protected]
// File : uart_tx.v
// Create : 2023-06-20 14:14:25
// -----------------------------------------------------------------------------
module uart_tx(
input wire sclk,
input wire s_rst_n,
input wire [7:0]pi_data,
input wire pi_flag,
output reg tx
);
// //9600波特率参量
// parameter BAUD_END = 5207;//波特率9600，接收间隔最大计数MAXEND = 50M/9600 = 5208.33 - 1 = 5207
//115200波特率参量
parameter BAUD_END = 433;//波特率115200，接收间隔最大计数MAXEND = 50M/115200 = 434.02 - 1 = 433
//变量
reg [7:0]pi_data_reg;//保存输入的数据
reg tx_flag; //发送数据的有效位，服务于计数器
reg [12:0]baud_cnt; //9600波特率的1个波特时间1/9600s的计数器
reg bit_flag; //计满flag
reg [3:0]bit_cnt; //发送数据计数。
//保存输入的数据,因为po_data在接收数据的时候一直在变
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
pi_data_reg <= 'd0;
end
else if(pi_flag == 1'b1)begin//这里是寄存的作用，不是直接传过来
pi_data_reg <= pi_data;
end
end
//发送数据有效时间段
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
tx_flag <= 1'b0;
end
else if(bit_flag == 1'b1 && bit_cnt == 'd8)begin
tx_flag <= 1'b0;
end
else if (pi_flag == 1'b1) begin
tx_flag <= 1'b1;
end
end
//一波特时间对应的计数器
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
baud_cnt <= 'd0;
end
else if (baud_cnt == BAUD_END) begin
baud_cnt <= 'd0;
end
else if(tx_flag == 1'b1)begin
baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;
end
end
//bit_flag
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
bit_flag <= 1'b0;
end
else if (baud_cnt == BAUD_END - 1'b1) begin
bit_flag <= 1'b1;
end
else begin
bit_flag <= 1'b0;
end
end
//发送数据计数
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
bit_cnt <= 'd0;
end
else if(bit_cnt == 'd8 && bit_flag == 1'b1)begin
bit_cnt <= 'd0;
end
else if (bit_flag == 1'b1) begin
bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;
end
end
//发送数据
always @(posedge sclk or negedge s_rst_n) begin
if (!s_rst_n) begin
tx <= 1'b1;
end
else if(pi_flag == 1'b1)begin
tx <= 1'b0;//起始位，判断到有输入，立马拉低
end
else if (bit_flag == 1'b1 && bit_cnt <= 'd7) begin
tx <= pi_data_reg[bit_cnt];
end
else if(bit_flag == 1'b1 && bit_cnt == 'd8)begin
tx <= 1'b1;//停止位
end
end
endmodule3、Top层代码
// -----------------------------------------------------------------------------
// Copyright (c) 2014-2023 All rights reserved
// -----------------------------------------------------------------------------
// Author : BigFartPeach
// CSDN : 大屁桃
// E-mail : [email protected]
// File : top.v
// Create : 2023-06-20 14:31:06
// -----------------------------------------------------------------------------
module top(
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire rx,
output wire tx
);
wire [7:0]data;
wire flag;
uart_rx inst_uart_rx (
.sclk (clk),
.s_rst_n (rst_n),
.rx (rx),
.po_data (data),
.po_flag (flag)
);
uart_tx inst_uart_tx (
.sclk (clk),
.s_rst_n (rst_n),
.pi_data (data),
.pi_flag (flag),
.tx (tx)
);
endmodule第三部分、仿真代码的编写
注意：在testbench同文件位置建立如下文本
00000001
00000010
00000011
00000100
00000101
00000110
00000111
00001000
00001001
00001010
00001011
00001100
00001101
00001110
00001111
111111111、testbench代码
关于top层的testbench代码如下：
// -----------------------------------------------------------------------------
// Copyright (c) 2014-2023 All rights reserved
// -----------------------------------------------------------------------------
// Author : BigFartPeach
// CSDN : 大屁桃
// E-mail : [email protected]
// File : top_sim.v
// Create : 2023-04-25 11:24:00
// -----------------------------------------------------------------------------
module top_sim();
reg clk;
reg rst_n;
reg rx;
wire tx;
reg [7:0]mem[15:0];
initial begin
clk = 0;
rst_n = 0;
rx = 1;
#100;
rst_n = 1;
end
always #10 clk = ~clk;
initial begin
$readmemb("./data.txt",mem);
end
initial begin
#200;
read_text();
end
//多次读文本数据
task read_text();
integer i;
begin
for(i = 0; i < 16; i = i + 1)begin
send_bit_data(mem[i]);
end
end
endtask
task send_bit_data(input [7:0]data_txt);
integer i;
begin
for(i = 0; i < 10;i = i + 1)begin
case (i)
0: rx = 0;//起始位
1: rx = data_txt[0];//rx = mem[i - 1];
2: rx = data_txt[1];//rx = mem[i - 1];
3: rx = data_txt[2];//rx = mem[i - 1];
4: rx = data_txt[3];//rx = mem[i - 1];
5: rx = data_txt[4];//rx = mem[i - 1];
6: rx = data_txt[5];//rx = mem[i - 1];
7: rx = data_txt[6];//rx = mem[i - 1];
8: rx = data_txt[7];//rx = mem[i - 1];
9: rx = 1;//停止位
endcase
#104166;//1/9600波特时间
end
end
endtask
top inst_top (
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.rx(rx),
.tx(tx)
);
endmodule2、仿真结果
可以看到rx与tx的波形一致。
3、上板测试
波特率为9600发送后返回的数据
波特率为115200发送后返回的数据
第四部分、总结
本篇博客介绍了串口的基本知识以及驱动代码的编写，博客中若有错误欢迎大家及时私信我。
最后，希望我的博客对你有帮助，有需要的小伙伴可以查看本专栏更多的往期文章专栏链接如下：FPGA的学习之旅_大屁桃的博客-CSDN博客
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