怎么进行UART传输实现FPGA

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怎么进行UART传输实现FPGA

      图2 34 FPGA发送一帧串口数据(考虑波特率)
 如果图2 34考虑 115200 的波特率,结果如图2 34所示,每一位数据都保持 434 个时钟,为此 Verilog 可以这样表示,如代码2 11所示:
                 代码2 11

1.	reg [10:0]D1;
2. reg [8:0]C1;
3. always @( posedge CLOCK)
4.      case( i)
5.      0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10:
6.      if( C1 == 9’ d434 -1 ) begin C1 <= 9’ d0; i <= i + 1’ b1; endelse begin TXD <= D1[i]; C1 <= C1 + 1'b1; end
7. ......
8. endcase

  如代码2 11所示,步骤 1~8 不再保持一个时钟,换之每个步骤都保持 434 个时钟,因此每位 TXD 的发送数据也保持 8.68us。
 除此此外,串口传输协议不仅可以自定义波特率,串口传输协议也可以自定义一帧数据的位宽,自定义内容如表2 8所示:
                  表2 8 自定义一帧数据

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 如表2 8所示,可以自定义的数据其中便包含数据位,默认下为 1 字节,自定义内容则是 5~9 位,校验位也可以设置为有或者无( 默认下是有),停止位也可以增至 2 位(默认下是 1 位)。
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         图2 35 TX 功能模块的建模图
 如图2 35所示,该模块的左方有问答信号,还有 8 位的 iData,至于右方则是 TXD 顶层信号。此外,一帧数据的波特率为 115200 bps。
          代码 2 12 TX 功能模块代码

1.	//****************************************************************************//
2. //# @Author: 碎碎思
3. //# @Date:   2019-04-21 21:14:51
4. //# @Last Modified by:   zlk
5. //# @WeChat Official Account: OpenFPGA
6. //# @Last Modified time: 2019-08-04 02:48:17
7. //# Description:
8. //# @Modification History: 2014-05-10 13:42:27
9. //# Date                By             Version             Change Description:
10. //# ========================================================================= #
11. //# 2014-05-10 13:42:27
12. //# ========================================================================= #
13. //# |                                                                       | #
14. //# |                                OpenFPGA                               | #
15. //****************************************************************************//
16. module tx_funcmod
17. (
18.    input CLOCK, RESET,
19.     output TXD,
20.     input iCall,
21.     output oDone,
22.     input [7:0]iData
23. );
24.     parameter B115K2 = 9'd434; // formula : ( 1/115200 )/( 1/50E+6 )
25.  
26.     reg [3:0]i;
27.     reg [8:0]C1;
28.     reg [10:0]D1;
29.     reg rTXD;
30.     reg isDone;
31.      
32.     always @( posedge CLOCK or negedge RESET )
33.         if( !RESET )
34.              begin
35.                  i <= 4'd0;
36.                  C1 <= 9'd0;
37.                   D1 <= 11'd0;
38.                     rTXD <= 1'b1;
39.                     isDone <= 1'b0;
40.              end
41.          else if( iCall )
42.              case( i )
43.                  
44.                    0:
45.                     begin D1 <= { 2'b11 , iData , 1'b0 }; i <= i + 1'b1; end
46.                      
47.                     1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11:
48.                     if( C1 == B115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
49.                     else begin rTXD <= D1[i - 1]; C1 <= C1 + 1'b1; end
50.  
51.                    12:
52.                     begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
53.                      
54.                     13:
55.                     begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
56.                  
57.                endcase
58.      
59.    assign TXD = rTXD;
60.    assign oDone = isDone;
61.      
62. endmodule

  第16~24行为相关的出入端声明,第 9 行则是波特率为 115200 的常量声明。
 第26~40行为相关的寄存器声明以及复位操作。
 第41~62行为部分核心操作。第 41 行的 if( iCall ) 表示该模块不使能就不工作。步骤 0 用来准备发送数据,其中 2’b11 是停止位与校验位(随便填),1’b0 则是起始位。步骤 1~11用来发送一帧数据。步骤 12~13 用来反馈完成信号并返回步骤。
 这样发送模块就完成了,理想时序如下图所示:
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        图2 36 串口发送模块功能逻辑示意图
 由上图可知,串口发送模块是“定时发送”的过程。波特率模块产生的时间间隔是通过计数器实现的,由图2 37可知,每隔一定时间波特率模块就会产生一个高脉冲给TX_Pin_Out引脚。
 串口发送的框图如图2 37所示:
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          图2 37 串口模块RTL框图
 对于FPGA实现UART的RX模块功能主要就是电平采集。那么它到底是如何实现采集的呢?
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          图 2 38 RX模块电平采集示意图
 说到底,在发送模块中一位数据发送的时间间隔是通过波特率进行控制的,同理,在接受模块中采集一位数据的间隔同样也要通过波特率进行控制,具体如上图所示。
 上图中,数据采集都是在“每位数据的中间”进行着。RX_Pin_In 输入一帧数据,当检测到低电平(起始位), 在第 0 位数据,采取忽略的态度,然后接下来的 8 位数据位都被采集,最后校验位和停止位,却是采取了忽略的操作。有一点必须好好注意,串口传输数据“从最低位开始,到最高位结束”。
 因为 Verilog 无法描述理想以外的时序, 对此所有时序活动都必须看成理想时序。
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     图2 39 FPGA接收一帧波特率为115200的数据
 当FPGA接收一帧数据为波特率115200之际,情况差不多如图2 41所示。50Mhz是FPGA的时钟源,也是一帧数据的采集时钟, RXD 则是一帧数据的输入端。波特率为 115200的一位数据经过 50Mhz 的时钟量化以后,每一位数据大约保持 8.68us,即 434 个时钟。串口传输没有自己的时钟信号,所以我们必须利用 FPGA 的时钟源“跟踪”每一位数据。对此, FPGA 只能借用计数器“同步跟踪”而已,至于 Verilog 则可以这样描述,结果如代码2 13所示:
                   代码2 13

1.	0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10: //同步跟踪中 ...
2.      if( C1 == 434 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
3.      else C1 <= C1 + 1'b1;

  如代码2 13所示,所谓同步跟踪,就是利用计数器估计每一位数据 … 期间,步骤 0~10表示每一位数据,至于 C1 计数 434 个时钟则是同步跟踪中。其中-1考虑了步骤之间的跳转所耗掉的时钟。
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              图2 40 读取起始位
 知道串口的一帧数据都是从拉低的起始位开始,然而为了完美尾行,亦即实现精密控时,起始位的读取往往都是关键。如图2 40所示,当我们在第一个时钟读取(采集)起始位的时候,由于 Verilog 的读取只能经过读取过去值而已,余下起始位还有 433 个时钟需要我们跟踪,为此 Verilog 可以这样描述,结果如代码2 14所示:
                  代码2 14

1.	0:
2.    if( RXD == 1'b0 ) begin i <= i + 1'b1; C1 <= C1 + 4'd1; end
3. 1: // stalk start bit
4.    if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
5.    else C1 <= C1 + 1'b1;

  如代码2 14所示,步骤 0 用来检测起始位,如果 RXD 的电平为拉低状态, C1 立即递增以示同步跟踪已经用掉一个时钟,同样也可以看成 i 进入下一个步骤用掉一个时钟。然而步骤 1 是用来跟踪余下的 433 个时钟,但是计数器 C1 不是从 0 开始计数,而是从 1开始计算,因为 C1 在步骤已经递增的缘故。
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          图2 41 读取一帧数据当中的数据位
 一帧数据的跟踪结果与读取结果如图2 41所示 … 除了起始位,我们使用了两个步骤采集并跟踪之余,接下来便用 8 个步骤数据一边跟踪一边采集所有数据位,然而采集的时候则是 1/4 周期,即每位数据的第 108 个时钟。最后的校验位及结束位则是跟踪而已。
 对此, Verilog 可以这样表示,结果如代码2 15所示:
            代码2 15

1.	0:
2. if( RXD == 1'b0 ) begin i <= i + 1'b1; C1 <= C1 + 4'd1; end
3.  
4. 1: // start bit
5. if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
6. else C1 <= C1 + 1'b1;
7.  
8. 2,3,4,5,6,7,8,9: //stalk and count 1~8 data's bit , sample data at 1/2 for bps
9. begin
10. if( C1 == SAMPLE ) D1[i-2] <= RXD;
11.   if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
12.      else C1 <= C1 + 1'b1;
13. end
14.  
15. 10,11: // parity bit & stop bit
16. if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
17. else C1 <= C1 + 1'b1;
18.  
19. 12:
20. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
21.  
22. 13:
23. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end

  如代码2 15所示,步骤 0~1 用来采集与跟踪起始位,步骤 2~9 则用来跟踪数据位,并且采集为 1/4 周期。步骤 10~11 则用来跟踪校验位于结束位。

怎么进行UART传输实现FPGA            图2 42 RX功能模块的建模图
 图2 42是 RX 功能模块的建模图,左方链接至顶层信号 RXD,右方则是问答信号还有 8位的 oData。
           代码2 16 RX模块实现代码

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2. //# @Author: 碎碎思
3. //# @Date:   2019-04-21 22:46:15
4. //# @Last Modified by:   zlk
5. //# @WeChat Official Account: OpenFPGA
6. //# @Last Modified time: 2019-08-04 03:21:38
7. //# Description:
8. //# @Modification History: 2014-05-10 13:44:28
9. //# Date                By             Version             Change Description:
10. //# ========================================================================= #
11. //# 2014-05-10 13:44:28
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13. //# |                                                                       | #
14. //# |                                OpenFPGA                               | #
15. //****************************************************************************//
16. module rx_funcmod
17. (
18.    input CLOCK, RESET,
19.     input RXD,
20.     input iCall,
21.     output oDone,
22.     output [7:0]oData
23. );
24.    parameter BPS115K2 = 9'd434, SAMPLE = 9'd108;
25.
26.    reg [3:0]i;
27.     reg [8:0]C1;
28.     reg [7:0]D1;
29.     reg isDone;
30.      
31.     always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
32.         if( !RESET )
33.              begin
34.                    i <= 4'd0;
35.                     C1 <= 9'd0;
36.                     D1 <= 8'd0;
37.                     isDone <= 1'b0;
38.                end
39.          else if( iCall )
40.              case( i )
41.                      
42.                     0:
43.                     if( RXD == 1'b0 ) begin i <= i + 1'b1; C1 <= C1 + 4'd1; end
44.                      
45.                     1: // start bit
46.                     if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
47.                     else C1 <= C1 + 1'b1;
48.                      
49.                     2,3,4,5,6,7,8,9: //stalk and count 1~8 data's bit , sample data at 1/2 for bps
50.                     begin
51.                        if( C1 == SAMPLE ) D1[i-2] <= RXD;
52.                        if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
53.                        else C1 <= C1 + 1'b1;
54.                     end
55.                      
56.                     10,11: // parity bit & stop bit
57.                     if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
58.                     else C1 <= C1 + 1'b1;
59.                      
60.                     12:
61.                     begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
62.                      
63.                     13:
64.                     begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
65.                  
66.                endcase
67.                  
68.    assign oDone = isDone;
69.    assign oData = D1;
70.      
71. endmodule

  第 16~24 行是相关的出入端声明,第 24 行则是波特率为 115200 的常量声明,其外还有采集的周期。
 第 26~38 行是相关的寄存器声明,第 32~38 行则是这些寄存器的复位操作。
 第 39~46 行是核心操作。第 39 行的 if( iCall ) 表示该模块不使能便不工作。步骤 0~1 用来判断与跟踪起始位;

  步骤 2~9 用来跟踪并且读取当中的数据位;步骤 10 至 11 则是用来跟踪校验位与停止位而已。步骤 12~13 则用来反馈完成信号,以示一次性的接收工作已经完成。
 第 68~69 行是输出驱动声明。

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