协议——UART（RS232）

一、UART简介

　　UART（universal asynchronous receiver-transmitter）是一种采用异步串行通信方式的通用异步收发传输器。一般来说，UART总是和RS232成对出现，那RS232又是什么呢? RS232也就是我们计算机上的串口,它的全称是EIA-RS-232C (简称232，或者是RS232 )。其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS是Recommended Standard的缩写，代表推荐标准，232 是标识符，C表示修改次数，它被广泛用于计算机串行接口外设连接。如果你的计算机上还有串口的话，那么你就可以在主机箱后面看到RS232的接口：

　　随着时代的发展，这种借口已经很少用了，取而代之的是“USB转串口”，功能和原先一样，但接口更高效了。

　　串口的主要功能为：在发送数据时将并行数据转换成串行数据进行传输，在接收数据时将接收到的串行数据转换成并行数据。这应该是大多数人接触电子后学习到的第一个通信协议吧。

二、通信格式

　　下面来说说串口的具体要点：

1.传输时序

　　UART串口通信需要两个信号线来实现，一根用于串口发送，另外一根负责串口接收。一开始高电平，然后拉低表示开始位，接着8个数据位，然后校验位，最后拉高表示停止位，并且进入空闲状态，等待下一次的数据传输。

　　很多时候我们的校验位是允许省略的，所以协议就变成了：开始+数据+停止。

2.传输速率：波特率

　　串口通信的速率用波特率表示，它表示麦苗传输二进制数据的位数，单位是bps（位/秒）。常用的波特率有9600、19200、35400、57600以及115200等。

　　FPGA开发串口时，设计波特率的方法：FPGA的时钟频率/波特率。例如我的FPGA开发板时钟频率为50Mhz，即50_000_000hz，我想使用的波特率为9600bps，因此我需要的计数为：50000000/9600≈5208。

三、串口回环设计

　　现在用FPGA开发板做一个串口回环的实验，要求是PC端通过串口助手发送数据给FPGA，FPGA接收到数据后返回给PC端，并在串口助手处显示数值。即串口助手发什么就能收回什么。实验框图如下：

1.uart_rx

 //**************************************************************************
 // *** 名称 : uart_rx.v
 // *** 作者 : xianyu_FPGA
 // *** 博客 : https://www.cnblogs.com/xianyufpga/
 // *** 日期 : 2019-01-10
 // *** 描述 : 串口接收模块，计数9.5下，其中停止位0.5下
 //            因为串口助手发送本次停止位和下次开始位中间没有留空闲位
 //            若计满10下，则才结束本次传输下次数据就来了，会来不及接收
 //**************************************************************************

 module uart_rx
 //========================< 参数 >==========================================
 #(
 parameter  CLK              = 50_000_000        , //系统时钟，50Mhz
 parameter  BPS              =               , //波特率
 parameter  BPS_CNT          = CLK/BPS             //波特率计数
 )
 //========================< 端口 >==========================================
 (
 input   wire                clk                 , //时钟，50Mhz
 input   wire                rst_n               , //复位，低电平有效
 input   wire                din                 , //输入数据
 output  reg   [:]         dout                , //输出数据
 output  reg                 dout_vld              //输出数据的有效指示
 );
 //========================< 信号 >==========================================
 reg                         rx0                 ;
 reg                         rx1                 ;
 reg                         rx2                 ;
 wire                        rx_en               ;
 reg                         flag                ;
 reg   [:]                cnt0                ;
 wire                        add_cnt0            ;
 wire                        end_cnt0            ;
 reg   [ :]                cnt1                ;
 wire                        add_cnt1            ;
 wire                        end_cnt1            ;
 reg   [ :]                data                ;

 //==========================================================================
 //==    消除亚稳态 + 下降沿检测
 //==========================================================================
 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n) begin
         rx0 <= ;
         rx1 <= ;
         rx2 <= ;
     end
     else begin
         rx0 <= din;
         rx1 <= rx0;
         rx2 <= rx1;
     end
 end

 assign rx_en = rx2 && ~rx1;

 //==========================================================================
 //==    接收状态指示
 //==========================================================================
 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         flag <= ;
     else if(rx_en)
         flag <= ;
     else if(end_cnt1)
         flag <= ;
 end

 //==========================================================================
 //==    波特率计数
 //==========================================================================
 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         cnt0 <= ;
     else if(add_cnt0) begin
         if(end_cnt0)
             cnt0 <= ;
         else
             cnt0 <= cnt0 + ;
     end
 end

 assign add_cnt0 = flag;
 assign end_cnt0 = cnt0== BPS_CNT- || end_cnt1;

 //==========================================================================
 //==    开始1位(不接收) + 数据8位 + 停止0.5位(不接收)，共10位
 //==========================================================================
 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         cnt1 <= ;
     else if(add_cnt1) begin
         if(end_cnt1)
             cnt1 <= ;
         else
             cnt1 <= cnt1 + ;
     end
 end

 assign add_cnt1 = end_cnt0;
 assign end_cnt1 = cnt1==- && cnt0==BPS_CNT/-;

 //==========================================================================
 //==    缓存数据
 //==========================================================================
 always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
     if(!rst_n)
         data <= 'd0;
     else if(cnt1>= && cnt1<= && cnt0==BPS_CNT/-) //中间采样
         data[cnt1-] <= rx2;                         //或 dout <= {rx2,dout[7:1]};
 end

 //==========================================================================
 //==    输出数据
 //==========================================================================
 always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
     if(!rst_n)
         dout <= ;
     else if(end_cnt1)
         dout <= data;
 end

 always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
     if(!rst_n)
         dout_vld <= ;
     else if(end_cnt1)
         dout_vld <= ;
     else
         dout_vld <= ;
 end

 endmodule

2.uart_tx

 //**************************************************************************
 // *** 名称 : uart_tx.v
 // *** 作者 : xianyu_FPGA
 // *** 博客 : https://www.cnblogs.com/xianyufpga/
 // *** 日期 : 2019-01-10
 // *** 描述 : 串口接收模块，计数9.5下，其中停止位0.5下
 //            因为极端情况是本次停止位和下次开始位中间没有留空闲位
 //            若计满10下，则才结束本次传输下次数据就来了，会来不及发送
 //**************************************************************************

 module uart_tx
 //========================< 参数 >==========================================
 #(
 parameter  CLK              = 50_000_000        , //系统时钟，50Mhz
 parameter  BPS              =               , //波特率
 parameter  BPS_CNT          = CLK/BPS             //波特率计数
 )
 //========================< 端口 >==========================================
 (
 input   wire                clk                 , //时钟，50Mhz
 input   wire                rst_n               , //复位，低电平有效
 input   wire  [:]         din                 , //输入数据
 input   wire                din_vld             , //输入数据的有效指示
 output  reg                 dout                  //输出数据
 );
 //========================< 信号 >==========================================
 reg                         flag                ;
 reg   [ :]                din_tmp             ;
 reg   [:]                cnt0                ;
 wire                        add_cnt0            ;
 wire                        end_cnt0            ;
 reg   [ :]                cnt1                ;
 wire                        add_cnt1            ;
 wire                        end_cnt1            ;
 wire  [ :]                data                ;

 //==========================================================================
 //==    数据暂存（din可能会消失，暂存住）
 //==========================================================================
 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         din_tmp <='d0;
     else if(din_vld)
         din_tmp <= din;
 end

 //==========================================================================
 //==    发送状态指示
 //==========================================================================
 always  @(posedge clk or negedge rst_n)begin
     if(!rst_n)
         flag <= ;
     else if(din_vld)
         flag <= ;
     else if(end_cnt1)
         flag <= ;
 end

 //==========================================================================
 //==    波特率计数
 //==========================================================================
 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         cnt0 <= ;
     else if(add_cnt0) begin
         if(end_cnt0)
             cnt0 <= ;
         else
             cnt0 <= cnt0 + ;
     end
 end

 assign add_cnt0 = flag;
 assign end_cnt0 = cnt0== BPS_CNT- || end_cnt1;

 //==========================================================================
 //==    开始1位 + 数据8位 + 停止0.5位，共10位
 //==========================================================================
 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         cnt1 <= ;
     else if(add_cnt1) begin
         if(end_cnt1)
             cnt1 <= ;
         else
             cnt1 <= cnt1 + ;
     end
 end

 assign add_cnt1 = end_cnt0;
 assign end_cnt1 = cnt1==- && cnt0==BPS_CNT/-;

 //==========================================================================
 //==    数据输出(用case语句也行)
 //==========================================================================
 assign data = {'b1,din_tmp,1'b0};  //停止，数据，开始

 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
     if(!rst_n)
         dout <= 'b1;
     else if(flag)
         dout <= data[cnt1];
 end

 endmodule

3.top层

 //**************************************************************************
 // *** 名称 : uart_top.v
 // *** 作者 : xianyu_FPGA
 // *** 博客 : https://www.cnblogs.com/xianyufpga/
 // *** 日期 : 2019-01-10
 // *** 描述 : 串口实验顶层文件
 //**************************************************************************

 module uart_top
 //========================< 端口 >==========================================
 (
 input  wire                 clk                 , //时钟，50Mhz
 input  wire                 rst_n               , //复位，低电平有效
 input  wire                 uart_rx             , //FPGA通过串口接收的数据
 output wire                 uart_tx               //FPGA通过串口发送的数据
 );

 //========================< 连线 >==========================================
 wire [:]                  data                ;
 wire                        data_vld            ;

 //==========================================================================
 //==    模块例化
 //==========================================================================
 uart_rx
 #(
     .BPS_CNT                (                 )    //仿真用
 )
 u_uart_rx
 (
     .clk                    (clk                ),
     .rst_n                  (rst_n              ),
     .din                    (uart_rx            ),
     .dout                   (data               ),
     .dout_vld               (data_vld           )
 );

 uart_tx
 #(
     .BPS_CNT                (                 )   //仿真用
 )
 u_uart_tx
 (
     .clk                    (clk                ),
     .rst_n                  (rst_n              ),
     .din_vld                (data_vld           ),
     .din                    (data               ),
     .dout                   (uart_tx            )
 );

 endmodule

四、仿真调试

1、testbench

 `timescale 1ns/1ps  //时间精度
 `define    Clock  //时钟周期

 module uart_top_tb;

 //========================< 端口 >==========================================
 reg                         clk                 ; //时钟，50Mhz
 reg                         rst_n               ; //复位，低电平有效
 reg                         uart_rx             ;
 wire                        uart_tx             ;

 //==========================================================================
 //==    模块例化
 //==========================================================================
 uart_top u_uart_top
 (
     .clk                    (clk                ),
     .rst_n                  (rst_n              ),
     .uart_rx                (uart_rx            ),
     .uart_tx                (uart_tx            )
 );

 //==========================================================================
 //==    时钟信号和复位信号
 //==========================================================================
 initial begin
     clk = ;
     forever
         #(`Clock/) clk = ~clk;
 end

 initial begin
     rst_n = ; #(`Clock*+);
     rst_n = ;
 end

 //==========================================================================
 //==    task任务
 //==========================================================================
 reg  [:]              mem[:]           ; //位宽为8，深度为16个数据
 integer                 i                   ;
 integer                 j                   ;

 //读取外部数据
 initial $readmemh("./data.txt",mem);

 //位赋值
 task rx_bit
 (
     input [:]         data
 );
     begin
         for(i=;i<=;i=i+) begin   //10个bit为
             case(i)
                  : uart_rx = 'b0;
                  : uart_rx = data[i-];
                  : uart_rx = data[i-];
                  : uart_rx = data[i-];
                  : uart_rx = data[i-];
                  : uart_rx = data[i-];
                  : uart_rx = data[i-];
                  : uart_rx = data[i-];
                  : uart_rx = data[i-];
                  : uart_rx = 'b1;
             endcase
             #; //一个完整波特延时：52*20=1040
         end        //考虑到空闲位，也可以设置得1040稍大一些
     end
 endtask 

 //字节赋值
 task rx_byte;
     begin
         for(j=;j<=;j=j+) //16个byte数据
             rx_bit(mem[j]);
     end
 endtask

 //==========================================================================
 //==    调用task
 //==========================================================================
 initial begin
     #(`Clock*+);
     rx_byte();
 end

 initial begin
     #;
     $stop;
 end

 endmodule

2、data.txt

　　testbench中调用了一个 data.txt 文本文档，里面存储了此次仿真的16个数据，将其放置到 Modelsim 软件的工程目录中（非 work）即可。

a
b
c
d
e
f

3、仿真波形

　　由波形可以看到，本次设计应该是成功的。

五、上板验证

　　本次上位机采用友善串口助手，无校验位，停止位为1。当串口助手发送数据给FPGA后，FPGA很快又将原数据返回给上位机。

　　经上板验证，本次设计成功！

参考资料：

[1]明德扬FPGA教程

[2]正点原子FPGA教程

[2]威三学院FPGA教程