FPGA之旅设计99例之第三例-----UART串口通信

一. 简介

这是FPGA之旅的第三个设计实例了，通过串口协议，就可以和电脑上的串口调试助手进行通信啦。串口一般用来输出程序中的一些信息，用来调试，也可以用来进行信息交互。在stm32中是可以通过串口下载程序的，是不是很nice。本例将实现一个基本的串口模块。

感兴趣的话,欢迎关注微信公众号 FPGA之旅。

二. 串口电路

串口电路一般使用的是CH340芯片，将串口协议中的RX和TX数据线，转换成电脑上可以识别的COM口，让电脑知道这个外部设备是串口设备。当然不弄硬件哈，只简单了解一下即可，还是重点学习下面的串口协议。

三. 串口协议

串口协议的全程为串行异步通信协议，UART。

异步，就说明通信双方需要提前约定好数据传输的速率，即波特率，每秒传输bit的数量。串行，就说明数据是按bit一个一个发送出去的(其他的有可能是2bit，3bit，或者更多)。

串口协议只需要两个数据线，一个用来发送，一个用来接收。具体协议规定如下

1. 空闲位 ：数据线都为高电平。
2. 起始位：数据线拉低1bit，也就是拉低1bit所占用的时间。
3. 数据位: 一比特一比特的将数据发送出去，先发送低位，后发送高位，数据位宽可以为5,6,7,8。一般为8bit。
4. 校验位: 可以设置为奇校验，偶校验和无校验位。一般设置为无校验位,即去掉。
5. 停止位: 数据线拉高0.5、1、1.5bit。一般设置为1bit。

以上就是串口协议的全部。

四. 实现思路

按照协议的规定，可以非常轻松得到状态机一共用那几个状态

1. 空闲态
2. 起始态
3. 数据态
4. 停止态

一共四个状态，每个状态所需要做的事情，在协议中已经明确指出来了。

还有一个问题就波特率怎么计算。FPGA的时钟一般为50Mhz，也就是一个时钟周期为20ns。可以先把波特率换成发送一个bit需要多少ns。最后再除以20,得到发送一个bit需要多少个时钟周期。例如波特率为115200，则时钟周期数计算方法如下

K = ((1 / 115200)* 1000 * 1000 * 1000) /20

这样就可以开始安心写代码啦！！代码一共分为两个部分，分别为TX和RX两个。

五. TX发送模块编写

1. 先来定义端口信号.

   请求信号来了之后，就开始发送idat数据

module  UART_TX(
    input       sys_clk,       /*系统时钟 50M*/
    input       rst_n,         /*系统复位 低电平有效*/
    
    input       uart_tx_req,   /*串口发送请求*/
    output      uart_tx_done,  /*串口发送完成*/

    input[7:0]  idat,          /*发送数据*/
    output      uarttx         /*uart tx数据线*/
);
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2. 再来定义波特率以及各个状态

   时钟周期这里有一点点小改动，避免出现小数，而产生数值错误。

parameter   UARTBaud   = 'd115200;     /*波特率*/
localparam  UARTCLKPer =  (('d1000_000_000 / UARTBaud) /20) -1;   /*每Bit所占的时钟周期*/
localparam  UART_Idle       =   4'b0001;    /*空闲态*/
localparam  UART_Start      =   4'b0010;    /*起始态*/
localparam  UART_Data       =   4'b0100;    /*数据态*/
localparam  UART_Stop       =   4'b1000;    /*停止态*/
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六. RX接收模块编写

1. 定义端口信号。

module UART_RX(
    input          sys_clk,        /*系统时钟 50M*/
    input          rst_n,          /*系统复位*/
    output         uart_rx_done,   /*串口接收完成*/
    output[7:0]    odat,           /*接收数据*/
    input          uartrx         /*uart rx数据线*/
);
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2. 边沿检测。在接收数据的时候，需要判断数据的边沿，用来确定起始信号。通过缓存前两个时钟周期获取到的数据信号。然后通过取反再与的操作，是否发生了跳变，也就是上升沿和下降沿。

/*缓存rx数据*/
reg uartrxd0,uartrxd1,uartrxd2;
/*检测rx 上下边沿*/
wire  uartrxPosedge , uartrxNegedge;

assign uartrxPosedge = (uartrxd1) & ( ~uartrxd2);
assign uartrxNegedge = (~uartrxd1) & ( uartrxd2);
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由于两个模块的总代码量一共有300行左右，就不全部粘贴出来了，需要的自行在微信公众号中获取，私聊即可。

七. testbeach编写

代码编写好了，怎么能不去仿真，验一验呢！万一有bug呢？

`timescale 1ns/1ps
/*仿真文件编写*/
module testbeach();
    reg clk;
    reg rst_n;
    wire       uart_rx_done;
    wire[7:0]  uart_rx_data;
    wire       uart;
    reg[7:0]    data;
    reg         uart_tx_req;
    wire        uart_tx_done;
    always #50 clk <= ~clk;
    initial begin
        clk = 1'b0;
        rst_n = 1'b1;
        data = 'd23;
        uart_tx_req = 1'b0;
        #100     /*手动复位一下，不然仿真会有高阻态*/
        rst_n = 1'b0;
        #100
        rst_n = 1'b1;
        #100 
        uart_tx_req = 1'b1;
    end
    /*数据发送完成后，左一位，进行发送*/
    always@(posedge clk)
    begin
        if(uart_rx_done == 1'b1)
            data <= data << 1;
    end
UART_RX UART_RX_HP(
    .sys_clk        (clk),        /*系统时钟 50M*/
    .rst_n          (rst_n),          /*系统复位*/
    .uart_rx_done   (uart_rx_done),   /*串口接收完成*/
    .odat           (uart_rx_data),             /*接收数据*/
    .uartrx         (uart)         /*uart rx数据线*/
);
UART_TX UART_TX_HP(
    .sys_clk        (clk),        /*系统时钟 50M*/
    .rst_n          (rst_n),          /*系统复位*/
    .uart_tx_req    (uart_tx_req),   /*串口发送请求*/
    .uart_tx_done   (uart_tx_done),  /*串口发送完成*/
    .idat           (data),          /*发送数据*/
    .uarttx         (uart)       /*uart tx数据线*/
);
endmodule
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通过仿真可以看到，代码正确的运行了，下面就是上板测试了，如果有条件的话。

不会以为串口就这样完了吧，怎么可能，这才仅仅实现了最基本的功能。更多高级东西还在后头呢！