基于FPGA的UART多字节环回实验verilog代码(含帧头帧尾和解码部分)
采用VIVADO开发环境，频率50MHz，波特率 256000，8位数据位，1位停止位。
串口接收程序源自正点原子的例程。
带仿真工程，数据帧格式如下图：
发送数据为：aa ff 03 00 0E 03 B1 86 10 00 40 01 11 00 00 00 00 00 00 00 11 00 00 00 00 00 11 11 55 CC
效果如图：
仿真效果图：
参考以下文章和视频：
FPGA串口多字节收发_哔哩哔哩_bilibili
FPGA串口多字节接收、解码和仿真_浅塘.小鲤鱼的博客-CSDN博客
完整工程代码：
链接：https://pan.baidu.com/s/1c1GAXMzRUS1D3GdkSeK-7A?pwd=8888
提取码：8888
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顶层模块代码如下：
`timescale 1ns / 1ps
//不同数据格式需要改波特率、发送模块中的cnt阈值和环回模块中的cnt阈值、接收模块环回模块中的帧头帧尾判断及DATA_NUM
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
//(*mark_debug = "true"*)
input uart_rxd, //UART接收端口
output uart_txd //UART发送端口
// output [63:0] dataA, //数据包1
// output [63:0] dataB, //数据包2
// output [63:0] dataC //数据包3
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //定义系统时钟频率
parameter UART_BPS = 256000; //定义串口波特率
//wire define
//(*mark_debug = "true"*)
wire uart_done; //UART单字节接收完成
wire uart_recv_done; //UART一帧接收完成
wire [7:0] uart_data; //UART单字节接收数据
wire uart_send_en; //UART发送使能
wire [7:0] uart_send_data; //UART发送数据
wire uart_tx_busy; //UART发送忙状态标志
wire [7:0] cnt;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//串口接收模块
//uart_recv #(
// .CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
// .UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口接收波特率
//u_uart_recv(
// .sys_clk (sys_clk),
// .sys_rst_n (sys_rst_n),
// .uart_rxd (uart_rxd),
// .uart_done (uart_recv_done),
// .uart_data (uart_recv_data)
// );
//串口环回模块
//uart_loop u_uart_loop(
// .sys_clk (sys_clk),
// .sys_rst_n (sys_rst_n),
// .recv_done (uart_recv_done), //接收一帧数据(30字节数据)完成标志信号,4字节帧头，3*8=24字节数据，2字节帧尾
// .recv_data (uart_recv_data), //接收的数据
// .tx_busy (uart_tx_busy), //发送忙状态标志
// .send_en (uart_send_en), //发送使能信号
// .send_data (uart_send_data) //待发送数据
// );
//串口接收模块
uart_recv #(
.CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
.UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口接收波特率
u_uart_recv(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.uart_rxd (uart_rxd),
.uart_done (uart_done),
.uart_data (uart_data),
.recv_done (uart_recv_done),
.dataA (dataA),
.dataB (dataB),
.dataC (dataC)
);
//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),
.cnt (cnt),
.uart_en (uart_send_en),
.uart_din (uart_send_data),
.uart_tx_busy (uart_tx_busy),
.uart_txd (uart_txd)
);
//串口环回模块
uart_loop u_uart_loop(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.uart_done (uart_done), //接收单字节数据接收一帧数据(30字节数据)完成标志信号,4字节帧头，3*8=24字节数据，2字节帧尾
.uart_data (uart_data), //接收的数据
.tx_busy (uart_tx_busy), //发送忙状态标志
.cnt (cnt),
.send_en (uart_send_en), //发送使能信号
.send_data (uart_send_data) //待发送数据
);
endmodule分模块代码：
`timescale 1ns / 1ps
module uart_recv(
input sys_clk, //系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
input uart_rxd, //UART接收端口
output reg [ 7:0] uart_data, //接收的数据
output reg uart_done, //接收一字节数据完成标志
output reg uart_get, //单字节采样点
output reg [7:0] pack_cnt, //字节计数
output reg pack_ing, //接收过程标志位
output reg pack_done, //帧接收完成标志位
output reg [7:0] pack_num, //接收到的字节数
output reg recv_done, //接收完一帧数据的接收和解码
output reg [63:0] dataA, //解码后数据,8*8=64bit
output reg [63:0] dataB, //解码后数据,8*8=64bit
output reg [63:0] dataC //解码后数据,8*8=64bit
);
localparam DATA_NUM = 30;
integer j;
reg [7:0] pack_data [DATA_NUM-1:0]; //接收的数据
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50_000_000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200; //串口波特率
localparam BPS_CNT = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率
//localparam TimeOut = BPS_CNT*DATA_NUM*10*2;//超时时间
//起始信号下降沿捕捉
wire start_flag;
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
//接收信号完成标志位上升沿
wire rxdone_flag;
reg uart_done_d0;
reg uart_done_d1;
//包数据接收完成
wire packdone_flag;
reg pack_done_d0;
reg pack_done_d1;
//*****************************************************
//** 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) begin
rxdata <= 8'd0;
uart_get<=1'b0;
end
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
uart_get<=1'b1;
end
else begin
rxdata <= rxdata;
uart_get<=1'b0;
end
else begin
rxdata <= 8'd0;
uart_get<=1'b0;
end
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_done <= 1'b0;
end
end
//---单字节接收程序，uart_done接收完成标志位会持续半个波特率周期，捕捉上升沿可以计数，高电平状态，接收数据有效
//==============================================接收多个字节，添加的模块====================================================//
//捕获接收完成标志位的上升沿，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign rxdone_flag = uart_done_d0 & (~uart_done_d1);
//对UART完成标志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_done_d0 <= 1'b0;
uart_done_d1 <= 1'b0;
end
else begin
uart_done_d0 <= uart_done;
uart_done_d1 <= uart_done_d0;
end
end
//接收到的数据存入数组中，并计数
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin //接收到数据
if (!sys_rst_n) begin
pack_cnt <=8'd0;
pack_num <=8'd0;
pack_done<=1'b0;
pack_ing <=1'b0;
for (j=0;j`timescale 1ns / 1ps
module uart_send(
input sys_clk, //系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
input [7:0] cnt,
input uart_en, //发送使能信号
input [7:0] uart_din, //待发送数据
output uart_tx_busy, //发送忙状态标志
output reg uart_txd //UART发送端口
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200; //串口波特率
localparam BPS_CNT = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg uart_en_d0;
reg uart_en_d1;
reg [15:0] clk_cnt; //系统时钟计数器
reg [ 3:0] tx_cnt; //发送数据计数器
reg tx_flag; //发送过程标志信号
reg [ 7:0] tx_data; //寄存发送数据
//wire define
wire en_flag;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//在串口发送过程中给出忙状态标志
assign uart_tx_busy = tx_flag;
//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
//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 && (cnt>=8'd2)) 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
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
//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 //处于发送过程
if (clk_cnt < BPS_CNT - 1)
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
else
clk_cnt <= 16'd0; //对系统时钟计数达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
//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
endmodule `timescale 1ns / 1ps
module uart_loop(
input sys_clk, //系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
input uart_done, //接收一帧数据完成标志
input [7:0] uart_data, //接收的数据
input tx_busy, //发送忙状态标志
output reg send_en, //发送使能信号
output reg[7:0] cnt,
// output wire[7:0] cnt0,
output reg [7:0] send_data //待发送数据
);
//reg define
reg uart_done_d0;
reg uart_done_d1;
reg tx_ready;
reg [4:0]state;
reg [7:0]cnt;
reg [7:0]post_data;
//wire define
wire uart_done_flag;
//wire [7:0]cnt0;
parameter IDLE=5'b00001,AASTATE=5'b00010,FFSTATE=5'b00100,STATE03=5'b01000,STATE00=5'b10000;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//捕获uart_done上升沿，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign uart_done_flag = (~uart_done_d1) & uart_done_d0;
//assign cnt0 = cnt;
//对发送使能信号uart_done延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_done_d0 <= 1'b0;
uart_done_d1 <= 1'b0;
end
else begin
uart_done_d0 <= uart_done;
uart_done_d1 <= uart_done_d0;
end
end
//判断帧头部分，不判断帧尾，因为数据长度固定
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
if(!sys_rst_n)begin
post_data<=8'd0;state<=IDLE;
end
else case(state)
IDLE:begin
post_data<=8'b0;
cnt<=8'd0;
if(uart_done_flag)begin
if(uart_data==8'hAA)state<=AASTATE;
else state<=IDLE;
end
end
AASTATE:if(uart_done_flag)begin
if(uart_data==8'hFF)state<=FFSTATE;
else state<=IDLE;
end
FFSTATE:if(uart_done_flag)begin
if(uart_data==8'h03)state<=STATE03;
else state<=IDLE;
end
STATE03:if(uart_done_flag)begin
if(uart_data==8'h00)state<=STATE00;
else state<=IDLE;
end
STATE00:if(uart_done_flag)begin
post_data<=uart_data;
cnt<=cnt+1'b1;//24个字节
if(cnt==8'd25)begin //相对uart_data延迟了一个时钟,所以cnt要多一位，防止丢失最后一个数据
state<=IDLE;
end
end
endcase
end
//判断接收完成信号，并在串口发送模块空闲时给出发送使能信号
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
tx_ready <= 1'b0;
send_en <= 1'b0;
send_data <= 8'd0;
end
else begin
if(uart_done_flag)begin //检测串口接收到数据
tx_ready <= 1'b1; //准备启动发送过程
send_en <= 1'b0;
send_data <= post_data; //寄存串口接收的数据,相对uart_data延迟了一个时钟
end
else if(tx_ready && (~tx_busy)) begin //检测串口发送模块空闲并且在有效数据区才发送数据使能信号
tx_ready <= 1'b0; //准备过程结束
send_en <= 1'b1; //拉高发送使能信号
end
end
end
endmodule