FPGA初步学习之串口发送模块【单字节和字符串的发送】

串口相关简介

UART 在发送或接收过程中的一帧数据由4部分组成，起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，如图所示。其中，起始位标志着一帧数据的开始，停止位标志着一帧数据的结束，数据位是一帧数据中的有效数据。

通常用的串口数据帧格式是：8位数据位，无校验位，1位停止位。
所以一帧数据有10个bit：1bit起始位，8bit数据位，1bit停止位。

关于串口波特率

串口波特率是指串口通信的速率，它表示每秒传输二进制数据的位数，单位是bps（位 /秒），常用的波特率有9600、19200、38400、57600以及115200等。

FPGA如何通过系统时钟来得到串口波特率呢？
已知串口时钟为50Mhz = 50000000hz，生成串口波特率为9600。
那么我们需要在FPGA里构建两个计数器。一个系统时钟计数器用来计数系统时钟周期数，一个串口时钟计数器，用来计数对应串口波特率的时钟周期数。
系统时钟：sys_clk，系统时钟计数值：sys_cnt。
串口时钟计数值：tx_cnt。
当sys_cnt = 50000000 / 9600时，tx_cnt计数一次，相当于串口时钟的一个周期。

数据是怎么发送出去的呢？
由上一个问题的解答已经得到了【串口时钟】这么一个东西，那么发送数据都是在该时钟下进行发送。
按照前面所提到的数据格式【1bit起始位，8bit数据位，1bit停止位】，那么就可以知道，发送一个8位的数据，需要在10个串口时钟周期下，将10bit的数据对应好时序一个个发出去。

数据是怎么接收的呢？
类似于上个问题，只需要按照时序，检测起始位，接收数据，再检测停止位即可。

那么这样是否就能够搭建好串口模块呢？
答案明显是不能的，FPGA并不知道什么时候该发数据，什么时候该收数据，什么时候进入发送状态，什么时候脱离发送状态。这时候还要添加其他信号来打辅助。比如添加发送使能信号来确定什么时候发数据，添加状态信号来表示串口是空闲还是忙碌等一系列的状态。

串口发送子模块的搭建

串口发送子模块相关参数

module uart_send(
    input	      sys_clk,                  //系统时钟
    input         sys_rst_n,                //系统复位，低电平有效
    //由其他模块输入
    input         uart_en,                  //发送使能信号
    input  [7:0]  uart_din,                 //待发送数据
    //输出给其他模块
    output        uart_tx_busy,             //发送忙状态标志
    output  reg   tx_flag,                  //发送过程标志信号
    output  reg [ 7:0] tx_data,             //寄存发送数据
    output  reg [ 3:0] tx_cnt,              //发送数据计数器
    output  reg   uart_txd                  //UART发送端口，即tx引脚
    );
    
    //parameter define
	parameter  CLK_FREQ = 50000000;            //系统时钟频率
	parameter  UART_BPS = 9600;                //串口波特率
	
	//为得到指定波特率，对系统时钟计数BPS_CNT次
	localparam  BPS_CNT  = CLK_FREQ/UART_BPS;   
	
	//reg define
	reg        uart_en_d0; 
	reg        uart_en_d1;  
	reg [15:0] clk_cnt;                        //系统时钟计数器
	
	//wire define
	wire       en_flag;

在该子模块中的参数可分为三个部分：

1. 系统时钟和复位。
2. 由其它模块发送来的使能信号和待发送的数据。
3. 本模块正在执行功能时的标志信号，本模块的数据接口，相关计数器，以及UART串口TX的物理IO口。

根据这些参数，可以大致知道串口发送1个bit数据的流程：

1. 首先模块通过uart_en收到发送使能信号，则首先拉高tx_flag信号，同时uart_tx_busy会接受tx_flag的值。
2. 当uart_en拉高后，en_flag会获取一个脉冲，当检测到这个脉冲后，则说明串口进入发送状态。
3. 进入发送过程后要做三件事：寄存待发送的数据，启动系统时钟计数器，启动发送数据计数器。
4. 发送数据计数器开始计数，直到计数值等于9时会自动清零，计数器一次计数循环即意味着一个8bit的数据发送完。
5. 在发送过程中，[7:0]tx_data要将8个bit的数据从低位到高位传给[1:0]uart_txd，首先发送一个低电平作为起始位，然后发送tx_data的8个bit，最后发送一个高电平表示停止位。
6. 经过这么一个过程，一个8位数据就通过FPGA串口的TX引脚发送出去了。

发送子模块中的逻辑块

获取使能信号脉冲

//捕获uart_en上升沿，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign en_flag = (~uart_en_d1) & uart_en_d0;

//对发送使能信号uart_en延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin         
    if (!sys_rst_n) begin
        uart_en_d0 <= 1'b0;                                  
        uart_en_d1 <= 1'b0;
    end                                                      
    else begin                                               
        uart_en_d0 <= uart_en;                               
        uart_en_d1 <= uart_en_d0;                            
    end
end

通过两次寄存和取反与等操作，将高电平信号转化为一个脉冲信号，作为使能信号。

进入发送过程和退出发送过程

//当脉冲信号en_flag到达时,寄存待发送的数据，并进入发送过程          
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin         
    if (!sys_rst_n) begin                                  
        tx_flag <= 1'b0;
        tx_data <= 8'd0;
    end 
    else if (en_flag) begin        //检测到发送使能上升沿                      
        tx_flag <= 1'b1;           //进入发送过程，标志位tx_flag拉高
        tx_data <= uart_din;       //寄存待发送的数据
    end
	//计数到停止位结束时，停止发送过程（并提前1/16个串口时钟）
	else if ((tx_cnt == 4'd9) && (clk_cnt == BPS_CNT - (BPS_CNT/16))) 
	    begin                                       
            tx_flag <= 1'b0;       //发送过程结束，标志位tx_flag拉低
            tx_data <= 8'd0;
        end
        else begin
            tx_flag <= tx_flag;
            tx_data <= tx_data;
        end 
end

两个计数器

计数器的作用是保证数据按照特定波特率被发送出去

//进入发送过程后，启动系统时钟计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin         
    if (!sys_rst_n)                             
        clk_cnt <= 16'd0;                                  
    else if (tx_flag) begin             //如果处于发送过程
        if (clk_cnt < BPS_CNT - 1)
            clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
        else
            clk_cnt <= 16'd0;           //系统时钟计数一个波特率周期后清零
    end
    else
        clk_cnt <= 16'd0; 				//发送过程结束
end

//进入发送过程后，启动发送数据计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin         
    if (!sys_rst_n)                             
        tx_cnt <= 4'd0;
    else if (tx_flag) begin             //处于发送过程
	    if (clk_cnt == BPS_CNT - 1)	    //对系统时钟计数达一个波特率周期
            tx_cnt <= tx_cnt + 1'b1;	//此时发送数据计数器加1
        else
            tx_cnt <= tx_cnt;       
    end
    else                              
        tx_cnt  <= 4'd0;				//发送过程结束
end

将8bit数据按bit拆分，并按顺序赋值给tx端口

//根据发送数据计数器来给uart发送端口赋值
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin        
    if (!sys_rst_n)  
        uart_txd <= 1'b1;        
    else if (tx_flag)
        case(tx_cnt)
            4'd0: uart_txd <= 1'b0;         //起始位 
            4'd1: uart_txd <= tx_data[0];   //数据位最低位
            4'd2: uart_txd <= tx_data[1];
            4'd3: uart_txd <= tx_data[2];
            4'd4: uart_txd <= tx_data[3];
            4'd5: uart_txd <= tx_data[4];
            4'd6: uart_txd <= tx_data[5];
            4'd7: uart_txd <= tx_data[6];
            4'd8: uart_txd <= tx_data[7];   //数据位最高位
            4'd9: uart_txd <= 1'b1;         //停止位
            default: ;
        endcase
    else 
        uart_txd <= 1'b1;                   //空闲时发送端口为高电平
end

发送字符串模块

子模块写好后，可以再做一个顶层模块，用来发送字符串。
发送字符串的思路：
当满足某个条件后，使能串口发送信号，此时串口就开始发送数据了，当在串口发送数据的时候，串口就处在发送忙状态，此时我们就可以更新一次待发送的数据。为什么可以在发送的时候更新待发送数据呢？因为在进入发送过程后，数据还没发送前的时间里，待发送的数据就已经寄存在了子模块里的一个寄存器里了。这样就节约了数据更新的时间了。
相关代码如下：

module uart_loopback_top(
    input           sys_clk,            //外部50M时钟
    input           sys_rst_n,          //外部复位信号，低有效

    output          uart_txd            //UART发送端口
    );

//parameter define
parameter  CLK_FREQ = 50000000;         //定义系统时钟频率
parameter  UART_BPS = 115200;           //定义串口波特率
    
//wire define   
reg [7:0] uart_send_data;               //UART发送数据
wire       uart_tx_busy;                //UART发送忙状态标志
reg        uart_send_en;                //UART发送使能
reg [31:0] data_cnt;

reg send_d0;
reg send_d1;
wire send_en;
reg string_end; //停止字符串发送

reg [ 31:0] Data_Count;                 //字符计数器
parameter [31:0] Data_Len=32'd10;      //字符串的长度
reg [7:0] arry [Data_Len-1:0];          //定义要发送的字符串

//初始化字符串
initial begin
    arry[0] = "H";
    arry[1] = "e";
    arry[2] = "l"; 
    arry[3] = "l"; 
    arry[4] = "o"; 
    arry[5] = "W"; 
    arry[6] = "o"; 
    arry[7] = "r"; 
    arry[8] = "l";
    arry[9] = "d";
end

//使能数据更新位，获得串口数据更新的脉冲
assign send_en = (~send_d1) & send_d0;

//数据更新标志，寄存两次uart_send_en的数据，为构成发送使能脉冲做准备
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n) begin
        send_d0 <= 1'b0;
        send_d1 <= 1'b0;
    end                                                      
    else begin                                               
        send_d0 <= uart_send_en;
        send_d1 <= send_d0;                        
    end
end

//串口发送字符串
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin         
    if (!sys_rst_n) begin
        uart_send_en <= 1'd0;        //初始化串口发送使能
        data_cnt <= 32'd0;           //初始化数据计数器
        uart_send_data <= arry[0];   //初始化首字符
        string_end <= 1'd0;          //控制字符串发送结束
    end                                                      
    else begin
    //当串口处于空闲状态，且数据计数器小于10的时候
    //条件：data_cnt < Data_Len 不要也可以
    //条件必须满足TX空闲，字符串发送结束标志位0，可在此基础上添加其它条件
		if((~uart_tx_busy) && (data_cnt < Data_Len) && (string_end == 1'b0)) begin  
		//使能串口发送使能寄存器
        uart_send_en <= 1'b1;                           
	    end
        
        //当数据计数器大于等于字符串长度时
        if(data_cnt == Data_Len) begin
            string_end <= 1'b1;
            uart_send_en <= 1'b0;   //失能串口发送使能，停止串口发送数据
            data_cnt <= 32'b0;
        end
        
        //如果数据发送使能脉冲到来
        else if((send_en) && (data_cnt < Data_Len)) begin      
            data_cnt <= data_cnt + 32'b1;      //则数据计数器加一
        end
        
        //如果串口有数据在发送,并且结束位没有拉高
        else if((uart_tx_busy) && (string_end == 1'b0)) begin
            //则失能串口发送使能，为下一个数据的发送做准备
            uart_send_en <= 1'b0;                           
            uart_send_data <= arry[data_cnt];
        end
    end
end



//串口发送模块    
uart_send #(                          
    .CLK_FREQ       (CLK_FREQ),         //设置系统时钟频率
    .UART_BPS       (UART_BPS))         //设置串口发送波特率
u_uart_send(                 
    .sys_clk        (sys_clk),
    .sys_rst_n      (sys_rst_n),
     
    .uart_en        (uart_send_en),
    .uart_din       (uart_send_data),
    .uart_tx_busy   (uart_tx_busy),
    .uart_txd       (uart_txd)
    );
    
//例化ILA IP核
//ila_0 your_instance_name (
//	.clk(sys_clk), // input wire clk
//
//	.probe0(uart_send_en), // input wire [0:0]  probe0  
//	.probe1(data_cnt),     // input wire [7:0]  probe1 
//	.probe2(uart_tx_busy),  // input wire [0:0]  probe2
//	.probe3(send_d0),
//	.probe4(send_d1),
//	.probe5(send_en),
//	.probe6(uart_send_data),
//	.probe7(string_end)
//);
    
endmodule

进一步的改进

如果要发送多个字符串，可以在更新字符串数据时加入状态机，进行不同字符串的转换。