1、UART通信协议 UART:Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用异步接收/发送装置,所谓异步,就是说发送和接受不能同时进行,是单工的。对于UART的verilog设计,简单的说就是需要“波特率发生器”与“数据传输时序”两个模块,如下: (1)波特率 在UART通信协议中很重要的一个定义,就是“波特率”,即传输数据时的速率。波特率一般有以下这些: (2)数据传输时序 对于UART数据传输的协议,如下所示。其中奇偶校验位与停止位不是必须的。而“起始位、资料位、停止位”则是必须的。一般资料位为8 bits。
具体的时序图如下所示。A-b为起始位,b-c为资料位,c-d为停止位。 2、UART硬件设计 UART是计算机中串行通信端口的关键部分。在计算机中,UART相连于产生兼容RS232规范信号的电路。RS232标准定义逻辑“1”信号相对于地为-3到-15伏,而逻辑“0”相对于地为3到15伏。所以,当一个微控制器中的UART相连于PC时,它需要一个RS232驱动器来转换电平。 如下图所示,UART硬件电路灰常的简单,只需要一块电平转换芯片即可。电平转换芯片一般用Max3232、Max232,SP3232等,其中Maxim公司的电平转换芯片比较常用。跟PC和处理器相连接的,只要相应的TXD、RXD两根信号线即可。 3、UART Verilog设计 基于FPGA的UART设计,其实在单片机中没有这么一说。单片机中早已有了UART的IP,我们只要调用函数即可,但FPGA中,纯硬件设计电路上,我们想要使用串口来调试,那我们就必须了解彻底UART通信协议,必须自己动手写UART的硬核。利用硬件描述语言,相当的方便。 UART驱动代码的编写,算是比较简单的设计了。Bingo当年用VHDL编写串口通信,后来学了Verilog,重新来过,最后修改串口,改善得到稳定的版本,经过多次测试,上万数据传输未出现过错误,已应用于多个项目中,在此献丑,希望对你有用。 以下是相关的下载信息: (1)串口调试助手 http://www./lib/detail.aspx?id=86809 (2)uart_io_test工程 http://www./lib/detail.aspx?id=86812 (3)uart_fifo_design工程 http://www./lib/detail.aspx?id=86813 对于基于FPGA的Verilog设计UART通信接口的代码分析,如下所示: (1)波特率发生器 如果您看过前面章节,那您是否还记得“第九章 为所欲为——教你什么才是真正的任意分频”?此处我们为了达到标准的频率,最大极限的不想出现任何误差,Bingo利用自己设计的“相位控制分频原理”,来完成此模块的设计。具体的分频原理请看第九章,此处不再做累赘的阐述,谢谢。 关于本模块的主要代码,如下: /************************************************* * Module Name : clk_generator.v * Engineer : Crazy Bingo * Target Device : EP2C8Q208C8 * Tool versions : Quartus II 11.0 * Create Date : 2011/01/27 * Revision : v1.0 * Description : **************************************************/ module clk_generator ( input clk, input rst_n, output clk_bps, output clk_smp ); //------------------------------------------ /************clk_smp = 16*clk_bps************ Freq_Word1 <= 32'd25770; Freq_Word1 <= 32'd412317; //300 bps Freq_Word1 <= 32'd51540; Freq_Word2 <= 32'd824634; //600 bps Freq_Word1 <= 32'd103079; Freq_Word2 <= 32'd1649267; //1200 bps Freq_Word1 <= 32'd206158; Freq_Word2 <= 32'd3298535; //2400 bps Freq_Word1 <= 32'd412317; Freq_Word2 <= 32'd6597070; //4800 bps Freq_Word1 <= 32'd824634; Freq_Word2 <= 32'd13194140; //9600 bps Freq_Word1 <= 32'd1649267; Freq_Word2 <= 32'd26388279; //19200 bps Freq_Word1 <= 32'd3298535; Freq_Word2 <= 32'd52776558; //38400 bps Freq_Word1 <= 32'd3693672; Freq_Word2 <= 32'd59098750; //43000 bps Freq_Word1 <= 32'd4810363; Freq_Word2 <= 32'd76965814; //56000 bps Freq_Word1 <= 32'd4947802; Freq_Word2 <= 32'd79164837; //57600 bps Freq_Word1 <= 32'd9895605; Freq_Word2 <= 32'd158329674; //115200bps Freq_Word1 <= 32'd10995116; Freq_Word2 <= 32'd175921860; //128000bps Freq_Word1 <= 32'd21990233; Freq_Word2 <= 32'd351843721; //256000bps *****************************************************/ //only want to generate beautiful clk for bsp and sample reg [31:0] bps_cnt1; reg [31:0] bps_cnt2; always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin bps_cnt1 <= 0; bps_cnt2 <= 0; end else begin bps_cnt1 <= bps_cnt1 + 32'd9895605; //Bps=115200bps bps_cnt2 <= bps_cnt2 + 32'd158329674; //Bps=115200bps*16 end end //------------------------------------------ //clk_bps sync bps generater reg clk_bps_r0,clk_bps_r1,clk_bps_r2; always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin clk_bps_r0 <= 0; clk_bps_r1 <= 0; clk_bps_r2 <= 0; end else begin if(bps_cnt1 < 32'h7FFF_FFFF) clk_bps_r0 <= 0; else clk_bps_r0 <= 1; clk_bps_r1 <= clk_bps_r0; clk_bps_r2 <= clk_bps_r1; end end assign clk_bps = ~clk_bps_r2 & clk_bps_r1; //------------------------------------------ //clk_smp sync receive bps generator reg clk_smp_r0,clk_smp_r1,clk_smp_r2; always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin clk_smp_r0 <= 0; clk_smp_r1 <= 0; clk_smp_r2 <= 0; end else begin if(bps_cnt2 < 32'h7FFF_FFFF) clk_smp_r0 <= 0; else clk_smp_r0 <= 1; clk_smp_r1 <= clk_smp_r0; clk_smp_r2 <= clk_smp_r1; end end assign clk_smp = ~clk_smp_r2 & clk_smp_r1; endmodule 代码中Bingo设置了多个选项的bps,根据您的需要,可以直接修改代码,来达到自己的要求。本模块的功能主要功能是生成两个时钟: a) clk_bps : UART TXD信号线数据发送的波特率 b) clk_smp: UART RXD信号线数据接受的采样速率,以对已波特率的16倍速度采样,捕获数据的中点,在数据最稳态读取数据,达到最大限制的稳定。 (2)TXD发送模块 这部分代码比较简单,因为FPGA是主控,只要根据固定的时序给数据即可。Bingo设计了一个状态机来完成时序,状态机代码如下: always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin txd_state <= T_IDLE; txd_flag_r <= 0; txd <= 1'b1; end else begin case(txd_state) T_IDLE: begin txd <= 1; txd_flag_r <= 0; if(txd_en == 1) txd_state <= T_SEND; else txd_state <= T_IDLE; end T_SEND: begin if(clk_bps == 1) begin if(txd_cnt < 4'd9) txd_cnt <= txd_cnt + 1'b1; else begin txd_cnt <= 0; txd_state <= T_IDLE; txd_flag_r <= 1; end case(txd_cnt) 4'd0: txd <= 0; 4'd1: txd <= txd_data[0]; 4'd2: txd <= txd_data[1]; 4'd3: txd <= txd_data[2]; 4'd4: txd <= txd_data[3]; 4'd5: txd <= txd_data[4]; 4'd6: txd <= txd_data[5]; 4'd7: txd <= txd_data[6]; 4'd8: txd <= txd_data[7]; 4'd9: txd <= 1; endcase end end endcase end End 数据发送的状态机设计如下: 同时,为了软件调试,数据识别等的方便,Bingo在此模块设置了数据发送标志位。此部分主要参考了Bingo“第七章 你想干嘛——边沿检测技术”的方法,此处不再做累赘阐述,若有不懂请看上文。此部分代码如下: //------------------------------------- //Capture the falling of data transfer over reg txd_flag_r0,txd_flag_r1; always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin txd_flag_r0 <= 0; txd_flag_r1 <= 0; end else begin txd_flag_r0 <= txd_flag_r; txd_flag_r1 <= txd_flag_r0; end end assign txd_flag = txd_flag_r1 & ~txd_flag_r0; (3)RXD发送模块 由于接收数据的时候,主控是PC,从机是FPGA,因此FPGA需要采样数据。以上波特率发生器中讲到过,采样时钟clk_bps = 16*clk_bps。FPGA硬件描述,通过计数,当采样到RXD数据起始位信号有效时,0-7-15开始计数,,其中7为数据的中点,最稳定的时刻。因此在此时采样数据,能够达到最稳定的效果。Bingo设计代码如下: always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin smp_cnt <= 0; rxd_cnt <= 0; rxd_data <= 0; rxd_state <= R_IDLE; end else if(clk_smp == 1) begin case(rxd_state) R_IDLE: begin rxd_cnt <= 0; if(rxd_sync == 1'b0) begin smp_cnt <= smp_cnt + 1'b1; if(smp_cnt == 4'd7) //8 clk_smp enable rxd_state <= R_SAMPLE; end else smp_cnt <= 0; end R_SAMPLE: begin smp_cnt <= smp_cnt +1'b1; if(smp_cnt == 4'd7) begin rxd_cnt <= rxd_cnt +1'b1; if(rxd_cnt == 4'd7) rxd_state <= R_IDLE; case(rxd_cnt) 3'd0: rxd_data[0] <= rxd_sync; 3'd1: rxd_data[1] <= rxd_sync; 3'd2: rxd_data[2] <= rxd_sync; 3'd3: rxd_data[3] <= rxd_sync; 3'd4: rxd_data[4] <= rxd_sync; 3'd5: rxd_data[5] <= rxd_sync; 3'd6: rxd_data[6] <= rxd_sync; 3'd7: rxd_data[7] <= rxd_sync; endcase end end endcase end end
同样,发送部分状态机如下如下所示:
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