PC和FPGA间的串口通信实现

应用笔记 V1.0 2015/03/26

PC和FPGA间的串口通信实现

 

概述	本文将介绍PC和FPGA间的串口通信实现的基本思路和Verilog代码，对于通信而言，收发双方都要有相应的控制。PC端采用MATLAB控制串口进行操作。本文档将详细介绍这一过程。

修订历史

以下表格展示了本文档的修订过程

日期	版本号	修订内容
2015/03/26	V1.0	初始版本，运行正确

 

简介

PC端程序基于MATLAB 2014a 编写，本文档中提到的"MATLAB"均指该特定版本MATLAB。 为何要做一套PC和FPGA之间通信的程序？之前的文档，包括《程序说明：MATLAB串口操作和GUI编程》和《应用笔记：采用FPGA实现UART转SPI》说明可以通过PC来"控制"FPGA进行相应的操作。在LDPC译码误码率仿真过程中，我们希望通过FPGA强大的计算能力来辅助计算，这时我们希望要能够完成PC传送数据，FPGA处理后发送回PC机的过程。本文档将介绍通过串口完成这一功能的整个过程。 当然，更广泛的来说，数据的处理过程，就应该包括数据的输入和输出。也就是说，对于FPGA来说，很多情况下必须要考虑将外界的数据接收、缓存、处理、缓存、输出的整个过程。这里数据的来源不仅仅能是PC，数据的格式或协议不仅仅能是串行通信协议。也就是说，本文档所介绍的是这一过程的一个特例。 本文档关注FPGA端的处理，对PC端处理不做详细说明。FPGA端处理包括 数据的接收 不同速率数据匹配 数据处理 数据的发送 其中数据接收和发送采用串行通信协议，帧格式如图 1。   图 1 串行数据帧格式 PC端通过MATLAB操作串口，仅仅只需要采取如下命令即可 s=serial('COM1'); fopen(s); fwrite(s,100); %写一个字节 fread(s,[1 1],'unit8'); %读一个字节 fclose(s); delete(s);

程序结构

程序结构如图 2所示 图 2 程序结构示意图   顶层文件仅仅只需要如下几个端口 input clk;            //时钟 input rxd;            //串口输入 input rst;            //复位，高有效 output rxt;            //串口输出 即输入输出数据即可。后文将详细介绍各个模块的功能。 图 3 数据读取、缓存   serialRead的输入时钟是16倍的波特率（时钟不同源），输出的是8bit的并行数据，同时有输出有效的表示。此时输出的时钟也是16倍的波特率。 然而往往数据的处理模块的时钟是不同的。对于隔离时钟域来说，FIFO是一个很好的选择，但是这里由于考虑到译码需要接收到所有的数据之后才能够开始，而且数据在整个译码过程中需要保持，所以选择了双口RAM来匹配不同速率的数据。当然还有一个原因是我不太记得FIFO这个核则么用了。 inputram的clka是16倍的波特率，通过输入地址控制，每次接收到out_rdy有效后地址增1将data_in保存到RAM内部。Inputram的clkb是数据处理模块的时钟，通过相应的规则控制ram的addrb，控制data_out和data_out_enable信号，得到满足数据处理要求的数据流。 图 4 数据处理模块   数据处理模块接收数据后处理输出data_out和data_out_enable   图 5 数据缓存输出   数据处理模块通过接收并存储data_out后，在满足一定条件下发送dout和dout_enable信号。其中clka为数据处理模块时钟频率，而clkb是1/16的波特率的频率。 serialWrite模块通过接收信号，在输出使能情况下，输出rxt。

信号说明

 

表格 1 confirm_top模块信号说明

信号	类型	功能
clk	input	时钟
rst	input	复位信号，高有效
rxd	input	串行信号输入
rst	output	串行信号输出
clk_count	reg[12:0]	计数分频
serial_out	wire[7:0]	串行数据并行输出（8bit）
serial_out_rdy	wire	输出数据有效
inputram_data_out	wire[7:0]	输入存储器输出
inputram_data_out_enable	wire	输入存储器输出有效
dataProcess_out	wire	数据处理输出
dataProcess_out_enable	wire	数据处理输出有效
outputram_out	wire[7:0]	输出存储器输出
outputram_out_enable	wire	输出存储器输出有效

 

表格 2 serialRead模块信号说明

信号	类型	功能
clk16x	input	16倍串口通信波特率的采样时钟
rst	input	复位信号，高有效
rxd	input	串口输入信号
serial_out	wire[7:0]	串行数据并行输出（8bit）
serial_out_rdy	wire	输出数据有效
clk1x_enable	reg	串口接收数据时钟使能
clk1x	wire	串口数据的采样时钟

 

剩余模块比较简单，不做说明，我也懒得写了……

 

参考

代码	注：以下代码介绍2560个PC的8bit的帧，之后处理取后1024帧的最高数据为，分为128帧传送回PC端。MATLAB代码略。