【黑金原创教程】【FPGA那些事儿-驱动篇I 】实验十二：串口模块①

实验十二：串口模块① — 发送

串口固然是典型的实验，想必许多同学已经作烂，不过笔者还要循例介绍一下。我们知道串口有发送与接收之分，实验十二的实验目的就是实现串口发送，然而不同的是 ... 笔者会用另一种思路去实现串口发送。

图12.1 PS/2发送时序与串口发送时序。

如图12.1所示，串口发送时序相较PS/2发送时序，串口发送时序就像断了翅膀的小鸟般，没有时钟信号控制整个传输协议。除此之外，串口发送时序与PS/2发送时序近似的地方也非常惊人 ... 默认下，一帧PS/2数据有11位，对此一帧串口数据也有11位，其中位分配如表12.1所示：

表12.1 一帧串口数据的位分配。

位分配	位定义
[0]	起始位
[8:1]	数据位
[9]	校验位
[10]	停止位

如表12.1所示，[0]为拉低的起始位，[8:1]为任意填充的数据位，[9]为任意填充的校验位，[10]为拉高的停止位。

图12.2 FPGA发送一帧串口数据（无视波特率）。

假设我们无视波特率，并且利用FPGA发送一帧串口数据的话 ... 如图12.2所示，一帧有11位的串口数据，一共使用了11个上升沿发送出去，为此Verilog则可以这样表示，结果如代码12.1所示：

      reg [10:0]D1;

     always @（posedge CLOCK）

         case（i）

            0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10:

            begin TXD <= D1[i]; i <= i + 1'b1; end

            ......

         endcase

代码12.1

如代码12.1所示，寄存器D为11位宽的寄存器，并且驱动TXD输出口，期间步骤0~11公按照i的位寻址，将D1的内容逐个发送出去。

虽然串口传输协议极为类似PS/2传输协议，但是串口传输协议也有区别的地方。其一串口传输协议有波特率的概念，而且串口协议有各种各样的波特率，常用的波特率有9600 bps或者115200 bps，波特率最低为 110 bps，最高为 256000 bps（目前暂定）。所谓波特率就是一秒内，串口可以发送多少位数据，此外波特率也是一位数据的周期，或者说是一位数据的保持时间，就拿115200 bps为例：

1/115200 = 8.68E-6

115200波特率的一位数据周期为 8.68us，如果用50Mhz 的时钟频率去量化的话：

( 1/115200 ) / (1/50E+6) = 8.68E-6 / 20E-9

= 434

图12.3 FPGA发送一帧串口数据（考虑波特率）。

如果图12.3考虑115200的波特率，结果如图12.3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12.2所示：

      reg [10:0]D1;

      reg [8:0]C1;

     always @（posedge CLOCK）

         case（i）

            0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10:

             if( C1 == 9’d434 -1 ) begin C1 <= 9’d0; i <= i + 1’b1; end

            else begin TXD <= D1[i]; C1 <= C1 + 1'b1; end

            ......

         endcase

代码12.1

如代码12.1所示，步骤0~10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12.2所示：

表12.2 自定义一帧数据。

自定义数据位	自定义内容
数据位	5~9
校验位	有/无
停止位	1~2

如表12.2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）。不管怎么样，表12.2是比较官方的自定义内容 ... 只要读者欢喜，任何畸形的自定义内容也有可能实现。

理解完毕以后，我们便可以开始建模了。

图12.4 实验十二的建模图。

图12.4是实验十二的建模图，不过内容较为寒酸 ... 组合模块 tx_demo 内容包括一段核心操作，还有一只TX功能模块。核心操作负责TX功能模块的调用，亦即控制沟通信号还有Data的输入。TX功能模块被使能以后，便将iData经由TXD输出端发送出去

，完后便反馈完成信号以示一次性的操作已经完毕。

tx_funcmod.v

图12.5 TX功能模块的建模图。

如图12.5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。

1.    module tx_funcmod

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         output TXD,

5.         input iCall,

6.         output oDone,

7.         input [7:0]iData

8.    );

9.         parameter B115K2 = 9'd434; // formula : ( 1/115200 )/( 1/50E+6 )

以上内容为相关的出入端声明，第9行则是波特率为115200的常量声明。

11.         reg [3:0]i;

12.         reg [8:0]C1;

13.         reg [10:0]D1;

14.         reg rTXD;

15.         reg isDone;

16.

17.         always @( posedge CLOCK or negedge RESET )

18.             if( !RESET )

19.                  begin

20.                         i <= 4'd0;

21.                         C1 <= 9'd0;

22.                         D1 <= 11'd0;

23.                         rTXD <= 1'b1;

24.                         isDone <= 1'b0;

25.                  end

以上内容为相关的寄存器声明以及复位操作。

26.              else if( iCall )

27.                  case( i )

28.

29.                         0:

30.                         begin D1 <= { 2'b11 , iData , 1'b0 }; i <= i + 1'b1; end

31.

32.                         1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11:

33.                         if( C1 == B115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end

34.                         else begin rTXD <= D1[i - 1]; C1 <= C1 + 1'b1; end

35.

36.                         12:

37.                         begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end

38.

39.                         13:

40.                         begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end

41.

42.                    endcase

43.

以上内容为部分核心操作。第26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。

44.        assign TXD = rTXD;

45.        assign oDone = isDone;

46.

47.    endmodule

以上内容为驱动输出的声明。

tx_demo.v

连线部署直接看代码比较具体一点。

1.    module tx_demo

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         output TXD

5.    );

6.        wire DoneU1;

以上内容是相关的出入端声明。

8.        tx_funcmod U1

9.         (

10.              .CLOCK( CLOCK ),

11.              .RESET( RESET ),

12.              .TXD( TXD ),

13.              .iCall( isTX ),

14.              .oDone( DoneU1 ),

15.             .iData( D1 )

16.         );

以上内容是TX功能模块的实例化，其中isCall由isTX驱动，iData由D驱动。

18.         reg [3:0]i;

19.         reg [7:0]D1;

20.         reg isTX;

21.

22.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

23.             if( !RESET )

24.                  begin

25.                         i <= 4'd0;

26.                         D1 <= 8'd0;

27.                         isTX <= 1'b0;

28.                    end

以上内容是相关的寄存器声明，第23~28行则是这些寄存器的复位操作。

29.              else

30.                  case( i )

31.

32.                        0:

33.                         if( DoneU1 ) begin isTX <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

34.                         else begin isTX <= 1'b1; D1 <= 8'hA1; end

35.

36.                         1:

37.                         if( DoneU1 ) begin isTX <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

38.                         else begin isTX <= 1'b1; D1 <= 8'hA2; end

39.

40.                         2:

41.                         if( DoneU1 ) begin isTX <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end

42.                         else begin isTX <= 1'b1; D1 <= 8'hA3; end

43.

44.                         3: // Stop

45.                         i <= i;

46.

47.                    endcase

48.

49.    endmodule

以上内容是核心操作的内容，步骤0发送数据 8’hA1，步骤1发送数据8’hA2，步骤2发送数据 8’hA3。

编译完毕便下载程序，并且将串口线连接至电脑与开发板。打开串口调试助手，波特率设为115200，数据位为8，校验位随便，停止位为1位 ... 事后，显示方式设置为HEX（十六进制）。当程序下载完毕以后，串口调试助手便会出现 A1，A2与A3。

细节一：完整的个体模块

实验十二的TX功能模块已经是完整的个体，可以直接拿来调用。