一種通用的Uart收發(fā)Verilog模塊

本文分享了一種通用的Uart收發(fā)Verilog模塊，可實(shí)現(xiàn)Uart協(xié)議所支持的任意波特率，任意位寬數(shù)據(jù)（5~8），任意校驗(yàn)位（無校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、1校驗(yàn)、0校驗(yàn)），任意停止位（1、1.5、2）的數(shù)據(jù)傳輸。此模塊需要搭配FIFO使用，以消除發(fā)送端和接收端波特率不一致導(dǎo)致的累計(jì)誤差。此模塊經(jīng)過多次測(cè)試與實(shí)際使用驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)10萬+數(shù)據(jù)無間隔連續(xù)發(fā)送與接收無錯(cuò)誤。

一. 什么是UART

UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器，它將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。我們通常說的UART有兩種意思，一種是UART協(xié)議，是串口通信采用的通用協(xié)議；一種是UART串口通信，指的是TTL電平的串口通信。關(guān)于UART和串口通信的關(guān)系的詳細(xì)介紹可參考我的另一篇博客：

串口通信簡(jiǎn)介——發(fā)展歷史與基本概念_徐曉康的博客

二. UART協(xié)議詳解

UART協(xié)議由三根線組成，Tx，Rx，Gnd即發(fā)送、接收與地，不包含時(shí)鐘線，屬于全雙工異步串行通信協(xié)議。

UART協(xié)議的波特率，Buad，表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，因?yàn)閁ART協(xié)議用3.3V/5V表示邏輯1，用0V表示邏輯0，只有兩個(gè)有效電平，所以UART協(xié)議的波特率與比特率是相等的。這部分屬于數(shù)據(jù)通信的基本概念，可參考我的另一篇博客：數(shù)據(jù)通信的基本概念_徐曉康的博客。

需要注意的是， UART協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸雙方需要預(yù)先約定好使用相同的波特率，這樣發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)才能被接收端正確出來。

UART協(xié)議的時(shí)序圖：

空閑位：高電平，表示此刻Tx線或Rx線處于空閑狀態(tài)，沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

開始位：一個(gè)傳輸時(shí)鐘周期的低電平，表示數(shù)據(jù)傳輸開始。

數(shù)據(jù)位：UART協(xié)議支持一次傳輸5、6、7或8位，每位占用一個(gè)傳輸時(shí)鐘周期。

校驗(yàn)位：UART協(xié)議共支持五種校驗(yàn)方式：

無校驗(yàn)，即NONE，不進(jìn)行校驗(yàn)，此時(shí)沒有校驗(yàn)位；

奇校驗(yàn)，即ODD校驗(yàn)，指的是如果數(shù)據(jù)位中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，奇校驗(yàn)值為0，否則為1；

偶校驗(yàn)，即EVEN校驗(yàn)，指的是如果數(shù)據(jù)位中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，偶校驗(yàn)值為0，否則為1；

1校驗(yàn)，即MARK校驗(yàn)，校驗(yàn)位固定為1；

0校驗(yàn)，即SPACE校驗(yàn)，校驗(yàn)位固定為0。

停止位：停止位表示單次傳輸結(jié)束，停止位可占1 / 1.5 / 2個(gè)傳輸時(shí)鐘周期。

一幀字符與下一幀字符間可間隔任意個(gè)空閑位，也可以完全沒有間隔，即停止位后緊跟下一幀的開始位，但這樣的話可能在連續(xù)傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)。因?yàn)閁art是無時(shí)鐘的，發(fā)送端和接收端的波特率必然存在微小偏差，這導(dǎo)致接收端每一位的長(zhǎng)度和發(fā)送端是不一樣的，所以大量數(shù)據(jù)的無間隔傳輸會(huì)使得位長(zhǎng)誤差累加，最終導(dǎo)致接收錯(cuò)位。

三. uart收發(fā)模塊框圖與使用說明

參數(shù)：

信號(hào)：

使用說明：

此模塊需要外接一個(gè)發(fā)送FWFT 8bit任意深度FIFO和一個(gè)接收FWFT 8bit任意深度FIFO，F(xiàn)IFO位寬固定為8，即使要發(fā)送的數(shù)據(jù)位寬為5~7，也可以直接寫入FIFO，如設(shè)定的Uart數(shù)據(jù)位寬為5，那么將5bit數(shù)據(jù)寫入8bit FIFO中，發(fā)送模塊也會(huì)相應(yīng)的只取低5位的數(shù)據(jù)。

當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，上層模塊只需往發(fā)送FIFO中寫數(shù)據(jù)即可，此模塊檢測(cè)到發(fā)送FIFO非空時(shí)，就會(huì)將FIFO中數(shù)據(jù)發(fā)送出去；

此模塊會(huì)將Uart接收到的數(shù)據(jù)寫入到接收FIFO中，上層模塊需要去接收FIFO中讀數(shù)據(jù)以拿到Uart接收到的數(shù)據(jù)。

四. Uart IP框圖與參數(shù)設(shè)置

可將Uart收發(fā)模塊封裝為IP。

五. 頂層模塊代碼

/*
?*?@Author???????:?Xu?Xiaokang
?*?@Email????????:?XudaKang_up@qq.com
?*?@Date?????????:?2022-05-05?1122
?*?@LastEditors??:?Xu?Xiaokang
?*?@LastEditTime?:?2022-11-09?1124
?*?@Filename?????:
?*?@Description??:
*/

/*
!?模塊功能:?在uart收發(fā)模塊外層再封裝一層FIFO，包含發(fā)送FIFO與接收FIFO，以解決波特率誤差導(dǎo)致接收位偏移的問題
*?思路:
??1.
*/

module?uartRTUseFIFO
#(
??parameter?CLK_FREQ_MHZ?=?100,
??parameter?BAUD?????????=?115200,?//?波特率,?9600,?19200,?38400,?57600,?115200,?230400,?460800,?921600
??parameter?DATA_BITS????=?8,??????//?數(shù)據(jù)位寬度,?可選5,?6,?7,?8
??parameter?PARITY???????=?"NONE",?//?校驗(yàn)?"NONE",?"ODD",?"EVEN",?"MARK",?"SPACE"
??parameter?STOP_BITS????=?1???????//?停止位寬度可選1,?1.5,?2
)(
??//?發(fā)送數(shù)據(jù)?FWFT?FIFO
??input??wire?????????tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty,
??input??wire?[7?:?0]?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout,
??output?wire?????????tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en,

??//?接收數(shù)據(jù)?FWFT?FIFO
??input??wire?????????rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full,
??output?wire?[7?:?0]?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din,
??output?wire?????????rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en,

??output?wire?rdata_error,?//?接收錯(cuò)誤

??output?wire?uart_tx,
??input??wire?uart_rx,

??input??wire?clk,
??input??wire?rstn
);


//++?實(shí)例化串口收發(fā)模塊?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
wire?[DATA_BITS?-?1?:?0]??rdata;???????//?接收到的數(shù)據(jù)
wire??????????????????????rdata_valid;?//?指示接收數(shù)據(jù)有效;?高電平有效

wire?[DATA_BITS?-?1?:?0]??tdata;???????//?要發(fā)送的數(shù)據(jù)
wire??????????????????????tdata_valid;?//?指示發(fā)送數(shù)據(jù)有效;?此信號(hào)上升沿有效
wire??????????????????????uart_tx_ready;?//?發(fā)送準(zhǔn)備就緒

uartTx?#(
??.CLK_FREQ_MHZ????(CLK_FREQ_MHZ???),
??.BAUD????????????(BAUD???????????),
??.DATA_BITS???????(DATA_BITS??????),
??.PARITY??????????(PARITY?????????),
??.STOP_BITS???????(STOP_BITS??????)
)?uartTx_dut???????(
??.tdata???????????(tdata??????????),
??.tdata_valid?????(tdata_valid????),
??.uart_tx_ready???(uart_tx_ready??),
??.uart_tx?????????(uart_tx????????),
??.clk?????????????(clk????????????),
??.rstn????????????(rstn???????????)
);


uartRx?#(
??.CLK_FREQ_MHZ????(CLK_FREQ_MHZ???),
??.BAUD????????????(BAUD???????????),
??.DATA_BITS???????(DATA_BITS??????),
??.PARITY??????????(PARITY?????????),
??.STOP_BITS???????(STOP_BITS??????)
)?uartRx_dut???????(
??.rdata???????????(rdata??????????),
??.rdata_valid?????(rdata_valid????),
??.rdata_error?????(rdata_error????),
??.uart_rx?????????(uart_rx????????),
??.clk?????????????(clk????????????),
??.rstn????????????(rstn???????????)
);
//--?實(shí)例化串口收發(fā)模塊?------------------------------------------------------------


//++?發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO接口連接?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
assign?tdata?=?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout[DATA_BITS?-?1?:?0];

reg?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en_temp;
always?@(posedge?clk)?begin
??tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en_temp?<=?uart_tx_ready?&&?tdata_valid;
end

assign?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en?=?~tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty?&&?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en_temp;

assign?tdata_valid?=?~tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty;
//--?發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO接口連接?------------------------------------------------------------


//++?接收數(shù)據(jù)FIFO接口連接?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
reg?rdata_valid_r1;
always?@(posedge?clk)?begin
??rdata_valid_r1?<=?rdata_valid;
end

assign?rdata_valid_pedge?=?rdata_valid?&&?~rdata_valid_r1;

assign?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en?=?~rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full?&&?rdata_valid_pedge;
assign?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din?=?rdata;
//--?接收數(shù)據(jù)FIFO接口連接?------------------------------------------------------------


endmodule

六. 回環(huán)測(cè)試示例

回環(huán)測(cè)試頂層模塊代碼：

/*
?*?@Author???????:?Xu?Xiaokang
?*?@Email????????:?xuxiaokang_up@qq.com
?*?@Date?????????:?2022-10-31?1645
?*?@LastEditors??:?Xu?Xiaokang
?*?@LastEditTime?:?2022-11-09?1146
?*?@Filename?????:
?*?@Description??:
*/

/*
!?模塊功能:?uart收發(fā)，實(shí)現(xiàn)環(huán)路測(cè)試，即將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)出來
*?思路:
??1.
*/

module?uartLoopTop
(
??input??logic?uart_rx,
??output?logic?uart_tx,

??input?logic?fpga_input_clk_p,
??input?logic?fpga_input_clk_n,
??input?logic?rstn
);


//++?時(shí)鐘與復(fù)位?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
logic?clk;
clk_wiz_0??clk_wiz_0_u0?(
??.clk_in1_p?(fpga_input_clk_p),
??.clk_in1_n?(fpga_input_clk_n),
??.clk_out1??(clk????????)
);
//--?時(shí)鐘與復(fù)位?------------------------------------------------------------


//?++?參數(shù)設(shè)置?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
localparam?CLK_FREQ_MHZ?=?100;
localparam?BAUD?????????=?115200;?//?波特率,?9600,?19200,?38400,?57600,?115200,?230400,?460800,?921600
localparam?DATA_BITS????=?8;??????//?數(shù)據(jù)位寬度,?可選5,?6,?7,?8
localparam?PARITY???????=?"ODD";??//?校驗(yàn)?"NONE",?"ODD",?"EVEN",?"MARK",?"SPACE"
localparam?STOP_BITS????=?2;??????//?停止位寬度,?可選1,?1.5,?2
//?--?參數(shù)設(shè)置?------------------------------------------------------------


//++?實(shí)例化uart模塊?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
(*?mark_debug?*)?logic?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full;
(*?mark_debug?*)?logic?[7?:?0]?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din;
(*?mark_debug?*)?logic?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en;
(*?mark_debug?*)?logic?rdata_error;

(*?mark_debug?*)?logic?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty;
(*?mark_debug?*)?logic?[7?:?0]?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout;
(*?mark_debug?*)?logic?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en;

uartRTUseFIFO?#(
??.CLK_FREQ_MHZ?(CLK_FREQ_MHZ),
??.BAUD?????????(BAUD),
??.DATA_BITS????(DATA_BITS),
??.PARITY???????(PARITY),
??.STOP_BITS????(STOP_BITS)
)?uartRTUseFIFO_u0?(
??.rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full??(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full?),
??.rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din???(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din??),
??.rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en?(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en),
??.rdata_error???????????????????(rdata_error??????????????????),
??.tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty?(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty),
??.tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout??(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout?),
??.tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en?(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en),
??.uart_tx???????????????????????(uart_tx??????????????????????),
??.uart_rx???????????????????????(uart_rx??????????????????????),
??.clk???????????????????????????(clk??????????????????????????),
??.rstn??????????????????????????(rstn?????????????????????????)
);
//--?實(shí)例化uart模塊?------------------------------------------------------------


//++?實(shí)例化FWFT?FIFO?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
cclk_fwft_fifo_8w1024d?cclk_fwft_fifo_8w1024d_u0?(
??.clk???(clk??),?//?input?wire?clk
??.srst??(~rstn?),?//?input?wire?srst

??.din???(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din??),?//?input?wire?[7??:?0]?din
??.wr_en?(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en),?//?input?wire?wr_en
??.full??(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full?),?//?output?wire?full

??.rd_en?(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en),?//?input?wire?rd_en
??.dout??(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout?),?//?output?wire?[7?:?0]?dout
??.empty?(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty)??//?output?wire?empty
);
//--?實(shí)例化FWFT?FIFO?------------------------------------------------------------


endmodule

測(cè)試用的FPGA板卡：明德?lián)PMP5620，板上串口轉(zhuǎn)USB芯片為SILICON LABS公司的CP2102-GM，其支持的串口協(xié)議如下圖所示：

使用的串口上位機(jī)工具：正點(diǎn)原子XCOM V2.6。

需要特別注意的是：上位機(jī)的波特率與Verilog模塊設(shè)置的波特率是有一定差距的，這個(gè)差距的原因可能是上位機(jī)設(shè)置的波特率不準(zhǔn)，也可能是因?yàn)椴ㄌ芈试O(shè)置是整數(shù)時(shí)鐘分頻得到的，無法精確到小數(shù)位，所以上位機(jī)和Verilog模塊間uart的波特率并不是嚴(yán)格一致的，可能是115200與115201的區(qū)別，正常情況這么小的差距數(shù)據(jù)也能被正常識(shí)別。但是XCOM在一次性發(fā)送多幀時(shí)，兩幀之間是沒有任何間隔的，這使得在連續(xù)傳輸多幀后，接收數(shù)據(jù)錯(cuò)位。

測(cè)試界面如下：

在115200波特率，8數(shù)據(jù)位，ODD校驗(yàn)，2停止位的條件下，回環(huán)測(cè)試通過。接著更改參數(shù)（需要USB轉(zhuǎn)串口的芯片支持該組參數(shù)），進(jìn)行其它條件下的試驗(yàn)，均無問題。

在連續(xù)發(fā)送10萬個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，仍能返回正確的數(shù)據(jù)，這是因?yàn)榧尤肓薋IFO，波特率誤差被FIFO緩沖消除了，如果不加FIFO且無間隔的發(fā)送數(shù)據(jù)，則連續(xù)發(fā)送10幾個(gè)數(shù)據(jù)就可能發(fā)生接收錯(cuò)位，使得返回?cái)?shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致。

編輯：黃飛

?