UART学习之路（四）VerilogHDL实现的简单UART,VIVADO下完成仿真

用VerilogHDL实现UART并完成仿真就算是对UART整个技术有了全面的理解，同时也算是Verilog入门了。整个UART分为3部分完成，发送模块（Transmitter），接收模块（Receiver）和波特率发生模块（BuadRateGenerator）。发送模块相比于接收模块要简单一些，主要功能就是每1/9600s发送1bit的数据，接收模块就在采样时钟下完成数据的采样，波特率发送模块就是产生对应的波特率。UART的基本电路模型可以看UART学习之路（二） 基本时序介绍，当中对UART进行了完整的电路建模。

1.发送模块

模块代码：

`timescale 1ns / 1ps
module UART_TRANSMITTER(
input [:] DataIn,//并行数据输入
input baud16x,TxEn,rstn,//baud16x=波特率×16，TxEn是并行数据装入使能信号，rstn复位信号
output reg DataOut,//串行数据输出
output reg TxBusy// 说明串口正忙的信号，检测其下降沿就可以判断是否可以装入新的数据
    );
    reg [:] DataInReg;//输入数据寄存器
    reg [:] cnt;//计数器

    reg cnt_start;//计数开始标志位
    reg TransEnIn0;//当前状态采样
    reg TransEnIn1;//上一个状态采样

    wire pos_en;
    //采TxEn的上升沿
    always@(posedge baud16x or negedge rstn)
    if(!rstn)begin
     TransEnIn0<='b0;
     TransEnIn1<='b0;
    end
    else begin
     TransEnIn0 <= TxEn;//now
     TransEnIn1 <= TransEnIn0;// delay
    end
    // Description
    // I0 I1
    // 0 0 : 1&0=0
    // 1 0 : 1&1=1
    // 1 1 : 1&0=0
    // 0 1 ：0&0=0
    assign pos_en = TransEnIn0 & !TransEnIn1;
    //数据装入
    always@(negedge rstn or posedge baud16x)
     if(!rstn)begin
      DataInReg <= 'd0;
      TxBusy <= 'b0;
     end
     else if(pos_en == 'b1)begin
      DataInReg <= DataIn;
      cnt_start <= 'b1;
      TxBusy <= 'b1;
     end
     else if(cnt >= 'd160) begin
      cnt_start <= 'b0;
      TxBusy <= 'b0;
     end

     //计数
     always@(posedge baud16x or negedge rstn)
     if(!rstn)
      cnt <= 'd0;
     else if(cnt_start == 'b1)
      cnt <= cnt + 'b1;
     else cnt <= 'd0;

     //UART 发送
     always@(posedge baud16x or negedge rstn)
     if(!rstn)
      DataOut <='b1;
     else if(cnt_start == 'b1)
     case(cnt)
      'd0:DataOut <= 1'b0;
      'd16:DataOut <= DataInReg[0];
      'd32:DataOut <= DataInReg[1];
      'd48:DataOut <= DataInReg[2];
      'd64:DataOut <= DataInReg[3];
      'd80:DataOut <= DataInReg[4];
      'd96:DataOut <= DataInReg[5];
      'd112:DataOut <= DataInReg[6];
      'd128:DataOut <= DataInReg[7];
      'd144:DataOut <= 1'b1;
     endcase
     else DataOut <= 'b1;
endmodule

TestBench

`timescale 1ns / 1ps
module TESTBENCH_UART_TRANSMITTER(
    );
    parameter CLKPERIOD = ;

    reg [:] TempData;
    reg clk,en,nrst;

    wire TxDataOut;
    wire TxOverFlag;

    initial begin
     clk = ;
     en = ;
     nrst = ;
     TempData = 'd0;
    end

    //clk generate
    always #(CLKPERIOD/) clk = ~clk;

    //复位
    initial begin
     #CLKPERIOD nrst = ;
    end

    //数据使能
    initial begin
     #CLKPERIOD en = ;
     TempData = 'b1010_0101;
     #CLKPERIOD en = ;

     #(CLKPERIOD*) en = ;
     TempData = 'b0101_1010;
     #CLKPERIOD en = ;
    end
    //version 1.0 2018-12-4
    //module initial
    UART_TRANSMITTER U1(//input
                        .baud16x(clk),
                        .TxEn(en),
                        .rstn(nrst),
                        .DataIn(TempData),
                        //output
                        .DataOut(TxDataOut),
                        .TxBusy(TxOverFlag));
endmodule

仿真结果

分析：

需要发送的并行数据存储在TempData里面，第一次发送10100101，发送起始位bit0=0，之后是数据位bit1,bit2,bit3,bit4,bit5,bit6,bit7,bit8，最后是停止位bit9=1。第二次发送01011010，结果同第一次发送。第一张图片，当en信号输入由第变高，产生上升沿后，说明待发送的数据已经装入发送寄存器了，发送端开始发送，首先发送的是LSB =1，最后发送的是MSB=1。第二张图片中，同第一张图片的过程，首先发送LSB=0，最后发送MSB=0。TxOverFlag表明发送端的忙状态，高电平是忙，低电平是闲，通关检测该信号的下降沿可以判断发送是否完成。

2.接收模块

模块代码

`timescale 1ns / 1ps
/*2018-9-21 verson 1.0
baud rate = 9600 bit/s
1 bit takes 1/9600s = 104.167 us ~= 104167ns
input frequency of clk is 100Mhz*/

// baud rate       T_bdr       N                          System clock = 50M
// 9600           104167ns    104167/System_clk_priod          5208-1
// 19200          52083ns     52083/System_clk_priod           2604-1
// 38400          26041ns     26041/System_clk_priod           1302-1
// 57600          17361ns     17361/System_clk_priod           868-1
// 115200         8680ns      8680/System_clk_priod            434-1
//
//Input clock is 16x bound rate， the first sample data is at 24, and the next sample data is at 40
// 24,40,56,72,88,104,120,136,152
module UART_RECEIVE(
input baud16x,rstn,
input recv,
output reg [:] rdata,
output reg recv_ready
    );
    reg recvIn0;//下降沿捕捉，当前时刻值
    reg recvIn1;//下降沿捕捉，上一个时刻值

    reg[:] cnt_bit;
    reg RecvNeFlag;
    //起始位获取
    always@(posedge baud16x or negedge rstn)
    if(!rstn) begin
    recvIn0 <= 'b1;
    recvIn1 <= 'b1;
    end
    else begin
    /*下降沿采样*/
    recvIn0 <= recv;//当前时刻的recv给recvIn0
    recvIn1 <= recvIn0;//前一个时刻的recv给recvIn1
    end

    wire neg_rec;
    assign neg_rec = !recvIn0 && recvIn1;
    /*下降沿判断，打开接收功能标志*/
    always@(negedge rstn or posedge baud16x)
    if(!rstn) begin
     RecvNeFlag <= 'b0;
     recv_ready <= 'b1;
    end
    else if(neg_rec == 'b1)begin
     RecvNeFlag <= 'b1;
     recv_ready <= 'b0;
    end
    else if(cnt_bit == 'd152)begin
     RecvNeFlag <= 'b0;
     recv_ready <= 'b1;
    end

    //bit计数
    always@(posedge baud16x or negedge rstn)
    if(!rstn)
    cnt_bit <= 'b0;
    else if(RecvNeFlag == 'b1)
    cnt_bit <= cnt_bit + 'b1;
    else cnt_bit <= 'd0;

    //采样接收
    always@(posedge baud16x or negedge rstn)
    if(!rstn)
    rdata <= 'b0000_0000;
    else case(cnt_bit)
    'd24:rdata[0]  <= recv;//数据位第1位
    'd40:rdata[1]  <= recv;
    'd56:rdata[2]  <= recv;
    'd72:rdata[3]  <= recv;
    'd88:rdata[4]  <= recv;
    'd104:rdata[5] <= recv;
    'd120:rdata[6] <= recv;
    'd136:rdata[7] <= recv;//数据位第8位
    endcase
endmodule

2.TestBench

`timescale 1ns / 1ps
module TESTBENCH_UART_RECEIVE(
    );
    parameter CLKPERIOD=;

    reg GCLK;
    reg nrst;
    reg DataIn;
    wire [:] recv_data;
    wire RecvDoneFlag;
    //初始化
    initial begin
     nrst = ;
     GCLK = ;
     DataIn = ;
    end
    //生成时钟激励
    always #(CLKPERIOD/) GCLK = ~GCLK;

    //复位使能
    initial #(CLKPERIOD*) nrst = ;

    //模拟发送数据
    initial begin
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
      #(CLKPERIOD*) DataIn = ;
    end

    UART_RECEIVE U1(//input
                     .baud16x(GCLK),
                     .rstn(nrst),
                     .recv(DataIn),
                    //output
                     .rdata(recv_data),
                     .recv_ready(RecvDoneFlag));
endmodule

3.仿真结果

分析：

模块复位输出8'b0000_0000，接收采样在输入的中点处。串行输入数据，转换成并行的数据。第一张图发送的数据是8'b1111_1111，在接受端依次接收为8'b0000_0001，8'b0000_0011，…… ……，8'b1111_1111。接收到起始位后RecvDoneFlag信号由高拉低，表明接收端正忙，处于接收状态，这个地方信号名字打错了，后面懒得改了。接收完成后，RecvDoneFlag将由低拉高，判断接收完成只需要检测该信号的上升沿就行。第二张图发送的数据是8'b1001_0101，过程如同第一张图。观察时序图，发现recv_data数据变化的节点并不是8个，而是4个，这是因为模块默认输出的信号是8'b0000_0000，只有出现1的地方数据才会发生跳转（出现采样的痕迹），8’b1001_0101中有4个1，所以只有4个。

3.波特率发生模块实际上就是对100Mhz的时钟进行分频，分成BaudRate*16的时钟提供给发送和接收模块。

4.参考代码：https://github.com/jamieiles/uart ，GitHub上别人的另外一种实现方式。