FPGA零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)之UART驅(qū)動(dòng)教程

UART即通用異步收發(fā)器，是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線為雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，我們需要解釋一下串行通信。假設(shè)現(xiàn)在我們傳輸數(shù)據(jù)的雙方為A和B，每次傳輸8bit數(shù)據(jù)，這8bit的數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)按照A與B之間的連線分為串行通信和并行通信。串行通信即A與B之間僅有一根數(shù)據(jù)線，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要一次發(fā)送1bit，總共發(fā)送8次。并行通信即A與B之間有8根線，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，將8bit數(shù)據(jù)通過(guò)8根線一起傳輸，這樣一次就可以全部傳輸完成。

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，接收方和發(fā)送方使用的時(shí)鐘不是同一個(gè)時(shí)鐘域，這也就是異步傳輸。

在通信雙方傳輸數(shù)據(jù)之前，需要通過(guò)串口線進(jìn)行連接，然后再傳輸數(shù)據(jù)，常用的串口線為DB9接口，但是由于這種接口體積大，不易攜帶等缺點(diǎn)而慢慢淘汰。我們?cè)贐04的開(kāi)發(fā)板上使用到的是一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口的芯片，這樣我們的MINI USB接口不僅可以給開(kāi)發(fā)板供電，還可以進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸。芯片為CP2102（USB <-->UART（LVCMOS/LVTTL））,對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，就不需要關(guān)注電平標(biāo)準(zhǔn)了。

芯片電路圖如圖所示：

在電路圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，串口接口只有兩根數(shù)據(jù)線，分別為RXD和TXD。那么在進(jìn)行通信之前，我們需要先了解一下串口的傳輸規(guī)則。

在發(fā)送者沒(méi)有發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，接收方如果一直接收數(shù)據(jù)，那就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)，所以，接收方在接收數(shù)據(jù)時(shí)需要有標(biāo)志信號(hào)，然后啟動(dòng)接收。在我們的串口協(xié)議中是這樣規(guī)定的：

1、空閑態(tài)數(shù)據(jù)線上為高電平。

2、發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送起始位，邏輯電平為低。

3、起始位結(jié)束之后，發(fā)送8bit數(shù)據(jù)，從低位開(kāi)始傳輸。

4、數(shù)據(jù)傳輸完畢，是1bit的校驗(yàn)位，采用奇偶校驗(yàn)法。（可不使用）

5、停止位，為高電平，可以是1bit、1.5bit或者2bit。

那么我們清楚了數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則之后，我們還需要明白一個(gè)內(nèi)容，那就是1bit數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度。在算這個(gè)時(shí)間之前，我們需要了解一下波特率。波特率的單位是bit/s，也就是1秒時(shí)間內(nèi)，傳輸?shù)腷it數(shù)。我們串口常用的波特率有9600、14400、19200等等。這個(gè)波特率是傳輸數(shù)據(jù)的雙方，提前規(guī)定好的。那么在同一速度下傳輸數(shù)據(jù)，就會(huì)簡(jiǎn)單很多。那么根據(jù)波特率我們可以計(jì)算出來(lái)1bit數(shù)據(jù)的時(shí)長(zhǎng)為104166ns。在清楚這些之后，接下來(lái)我們做一個(gè)回環(huán)測(cè)試。

首先我們先新建一個(gè)工程：

選好代碼存放位置，修改工程名字為uart。

選擇我們的芯片型號(hào)：XC7A35TFGG484-2。

新建好工程后，開(kāi)始新建文件寫(xiě)代碼。

點(diǎn)擊OK，頂層文件新建完成，后續(xù)各個(gè)模塊新建方式相同。接收代碼如下：

?

1   module uart_rx(
2     
3     input     wire           clk,
4     input     wire           rst_n,
5     input     wire           RXD,
6     output     reg    [7:0]       data,
7     output     reg           wr_en
8   );
9 
10    parameter t = 5208;
11
12    reg     [14:0]      cnt;
13    reg             flag;
14    reg             rxd_r, rxd_rr;
15    wire             rx_en;
16    reg     [3:0]      num;
17    reg     [7:0]      data_r;
18    
19    always @ (posedge clk) rxd_r <= RXD;
20    always @ (posedge clk) rxd_rr <= rxd_r;
21    
22    assign rx_en = (~rxd_r) & rxd_rr;
23    
24    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
25    begin
26      if(rst_n == 1'b0)
27        cnt <= 15'd0;
28      else if(flag)
29        begin
30          if(cnt == t - 1)
31            cnt <= 15'd0;
32          else
33            cnt <= cnt + 1'b1;
34        end
35      else
36        cnt <= 15'd0;
37    end
38    
39    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
40    begin
41      if(rst_n == 1'b0)
42        flag <= 1'b0;
43      else if(rx_en)
44        flag <= 1'b1;
45      else if(num == 4'd10)
46        flag <= 1'b0;
47      else
48        flag <= flag;
49    end
50    
51    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
52    begin
53      if(rst_n == 1'b0)
54        num <= 4'd0;
55      else if(cnt == t / 2 - 1)
56        num <= num + 1'b1;
57      else if(num == 4'd10)
58        num <= 4'd0;
59      else
60        num <= num;
61    end
62    
63    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
64    begin
65      if(rst_n == 1'b0)
66        begin
67          data_r <= 8'd0;
68          data <= 8'd0;
69        end
70      else if(cnt == t / 2 - 1)
71        case(num)
72          4'd0  :  ;
73          4'd1  :  data_r[0] <= rxd_rr;
74          4'd2  :  data_r[1] <= rxd_rr;
75          4'd3  :  data_r[2] <= rxd_rr;
76          4'd4  :  data_r[3] <= rxd_rr;
77          4'd5  :  data_r[4] <= rxd_rr;
78          4'd6  :  data_r[5] <= rxd_rr;
79          4'd7  :  data_r[6] <= rxd_rr;
80          4'd8  :  data_r[7] <= rxd_rr;
81          4'd9  :  data <= data_r;
82          default  :  data <= data;
83        endcase
84    end
85    
86    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
87    begin
88      if(rst_n == 1'b0)
89        wr_en <= 1'b0;
90      else if(num == 4'd10)
91        wr_en <= 1'b1;
92      else
93        wr_en <= 1'b0;
94    end
95
96  endmodule

?

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，跟接收基本類似，按照數(shù)據(jù)格式發(fā)送數(shù)據(jù)，代碼如下：

?

1   module uart_tx(
2     
3     input   wire             clk,
4     input   wire             rst_n,
5     input   wire             empty,
6     input   wire     [7:0]      data,
7     output   wire             rd_en,
8     output   reg              TXD
9   );
10    
11    parameter t = 5208;
12
13    reg     [14:0]      cnt;
14    reg             flag;
15    reg     [3:0]      num;
16    
17    
18    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
19    begin
20      if(rst_n == 1'b0)
21        cnt <= 15'd0;
22      else if(flag)
23        begin
24          if(cnt == t - 1)
25            cnt <= 15'd0;
26          else
27            cnt <= cnt + 1'b1;
28        end
29      else
30        cnt <= 15'd0;
31    end
32    
33    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
34    begin
35      if(rst_n == 1'b0)
36        flag <= 1'b0;
37      else if(empty == 1'b0)
38        flag <= 1'b1;
39      else if(num == 4'd10)
40        flag <= 1'b0;
41      else
42        flag <= flag;
43    end
44    
45    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
46    begin
47      if(rst_n == 1'b0)
48        num <= 4'd0;
49      else if(cnt == t / 2 - 1)
50        num <= num + 1'b1;
51      else if(num == 4'd10)
52        num <= 4'd0;
53      else
54        num <= num;
55    end
56    
57    assign rd_en = (num == 4'd0 && cnt == 15'd1) ? 1'b1 : 1'b0;
58    
59    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
60    begin
61      if(rst_n == 1'b0)
62        TXD <= 1'b1;
63      else if(cnt == t / 2 - 1)
64        case(num)
65          4'd0  :  TXD <= 1'b0;
66          4'd1  :  TXD <= data[0];
67          4'd2  :  TXD <= data[1];
68          4'd3  :  TXD <= data[2];
69          4'd4  :  TXD <= data[3];
70          4'd5  :  TXD <= data[4];
71          4'd6  :  TXD <= data[5];
72          4'd7  :  TXD <= data[6];
73          4'd8  :  TXD <= data[7];
74          4'd9  :  TXD <= 1'b1;
75          default  :  TXD <= 1'b1;
76        endcase
77    end
78
79  endmodule

?

其中讀使能我們只需在數(shù)據(jù)發(fā)送前將數(shù)據(jù)讀出即可。

在做完兩個(gè)模塊之后，我們還需要使用一個(gè)FIFO來(lái)做數(shù)據(jù)緩存，F(xiàn)IFO配置參數(shù)如下：

我們使用異步FIFO，深度選擇2048，位寬為8，復(fù)位信號(hào)暫時(shí)不使用。

生成FIFO后，將各個(gè)模塊例化到頂層當(dāng)中，代碼如下：

?

1   module uart(
2     
3     input   wire           clk,
4     input   wire           rst_n,
5     input   wire           RXD,
6     output   wire           TXD
7   );
8 
9     wire     [7:0]    rx_data;
10    wire           wr_en;
11    wire           rd_en;
12    wire     [7:0]    tx_data;
13    wire           empty;
14    
15    uart_rx uart_rx_inst(
16    
17    .clk        (clk  ),
18    .rst_n        (rst_n),
19    .RXD        (RXD  ),
20    .data        (rx_data),
21    .wr_en        (wr_en)
22  );
23    
24    fifo fifo_inst (
25    .wr_clk(clk),  // input wire wr_clk
26    .rd_clk(clk),  // input wire rd_clk
27    .din(rx_data),        // input wire [7 : 0] din
28    .wr_en(wr_en),    // input wire wr_en
29    .rd_en(rd_en),    // input wire rd_en
30    .dout(tx_data),      // output wire [7 : 0] dout
31    .full(),      // output wire full
32    .empty(empty)    // output wire empty
33  );
34    
35    uart_tx uart_tx_inst(
36    
37    .clk        (clk  ),
38    .rst_n        (rst_n  ),
39    .empty        (empty  ),
40    .data        (tx_data),
41    .rd_en        (rd_en  ),
42    .TXD        (TXD  )
43  );
44
45  endmodule

?

功能部分寫(xiě)完之后，我們寫(xiě)一個(gè)仿真進(jìn)行邏輯驗(yàn)證，寫(xiě)仿真時(shí)，我們按照數(shù)據(jù)順序模擬給值，每1bit持續(xù)104166ns的時(shí)間。代碼如下：

?

1   `timescale 1ns / 1ps
2 
3   module uart_tb;
4 
5     reg            clk;
6     reg            rst_n;
7     reg            RXD;
8     wire           TXD;
9 
10    initial begin
11      clk = 0;
12      rst_n = 0;
13      RXD = 1;
14      #105;
15      rst_n = 1;
16      
17      #1000;
18      RXD = 0;
19      #104166;
20      
21      RXD = 1;
22      #104166;
23      RXD = 0;
24      #104166;
25      RXD = 1;
26      #104166;
27      RXD = 0;
28      #104166;
29      RXD = 1;
30      #104166;
31      RXD = 0;
32      #104166;
33      RXD = 0;
34      #104166;
35      RXD = 1;
36      #104166;
37      
38      RXD = 1;
39      #104166;
40      
41      #5000;
42      $stop;
43    end
44    
45    always #10 clk = ~clk;
46    
47    uart uart_inst(
48    
49    .clk      (clk  ),
50    .rst_n      (rst_n  ),
51    .RXD      (RXD  ),
52    .TXD      (TXD  )
53  );
54    
55  endmodule

?

打開(kāi)仿真波形：

如圖，我們可以看到，當(dāng)我們的接收模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO，F(xiàn)IFO中有數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送模塊就會(huì)將數(shù)據(jù)讀出并發(fā)送，仿真現(xiàn)象正確。

下板現(xiàn)象：

我們隨便寫(xiě)入幾個(gè)數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)我們的發(fā)送模塊和接收模塊的數(shù)據(jù)完全一致，即接收和發(fā)送正常。

審核編輯：劉清