串口UART
今天主要记录一下使用黑金开发板EP4CE6F17C8型号的串口的经历。因为这块黑金开发板只有usb转串口，所以实验使用的是USB转串口的通信。如下图：
一、任务：采用串口调试助手发送指令控制开发板上面的LED0打开和关闭。
二、实现的RTL图如下：
三、代码实现过程
1、顶层模块uart_top
module uart_top(
input sys_clk, //外部50M时钟
input sys_rst_n, //外部复位信号，低有效
//uart接口
input uart_rxd, //UART接收端口
output uart_txd, //UART发送端口
output led
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //定义系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200; //定义串口波特率
//wire define
wire uart_en_w; //UART发送使能
wire [7:0] uart_data_w; //UART发送数据
wire led_open_flag; //串口接收到打开led的标记
wire led_close_flag; //串口接收到关闭led的标记
wire clk_1m_w; //1MHz时钟，用于Signaltap调试
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
clk_div u_pll( //时钟分频模块，用于调试
.inclk0 (sys_clk),
.c0 (clk_1m_w)
);
uart_recv #( //串口接收模块
.CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
.UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口接收波特率
u_uart_recv(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.uart_rxd (uart_rxd),
.uart_done (uart_en_w),
.uart_data (uart_data_w),
.led_open_flag (led_open_flag),
.led_close_flag (led_close_flag)
);
uart_send #( //串口发送模块
.CLK_FREQ (CLK_FREQ), //设置系统时钟频率
.UART_BPS (UART_BPS)) //设置串口发送波特率
u_uart_send(
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.uart_en (uart_en_w),
.uart_din (uart_data_w),
.uart_txd (uart_txd)
);
led led_u1(
.clk (sys_clk ),
.rst_n (sys_rst_n ),
.led_open_flag (led_open_flag ),
.led_close_flag (led_close_flag ),
.led (led )
);
endmodule
2、串口接收模块uart_recv
module uart_recv(
input sys_clk, //系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
input uart_rxd, //UART接收端口
output reg uart_done, //接收一帧数据完成标志信号
output reg [7:0] uart_data, //接收的数据
output reg led_open_flag, //打开led的标记
output reg led_close_flag //关闭led的标记
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 9600; //串口波特率
localparam BPS_CNT = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，
//需要对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg uart_rxd_d0;
reg uart_rxd_d1;
reg [15:0] clk_cnt; //系统时钟计数器
reg [ 3:0] rx_cnt; //接收数据计数器
reg rx_flag; //接收过程标志信号
reg [ 7:0] rxdata; //接收数据寄存器
//wire define
wire start_flag;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//捕获接收端口下降沿(起始位)，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign start_flag = uart_rxd_d1 & (~uart_rxd_d0);
//对UART接收端口的数据延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_rxd_d0 <= 1'b0;
uart_rxd_d1 <= 1'b0;
end
else begin
uart_rxd_d0 <= uart_rxd;
uart_rxd_d1 <= uart_rxd_d0;
end
end
//当脉冲信号start_flag到达时，进入接收过程
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
rx_flag <= 1'b0;
else begin
if(start_flag) //检测到起始位
rx_flag <= 1'b1; //进入接收过程，标志位rx_flag拉高
else if((rx_cnt == 4'd9)&&(clk_cnt == BPS_CNT/2))
rx_flag <= 1'b0; //计数到停止位中间时，停止接收过程
else
rx_flag <= rx_flag;
end
end
//进入接收过程后，启动系统时钟计数器与接收数据计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
clk_cnt <= 16'd0;
rx_cnt <= 4'd0;
end
else if ( rx_flag ) begin //处于接收过程
if (clk_cnt < BPS_CNT - 1) begin
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
rx_cnt <= rx_cnt;
end
else begin
clk_cnt <= 16'd0; //对系统时钟计数达一个波特率周期后清零
rx_cnt <= rx_cnt + 1'b1; //此时接收数据计数器加1
end
end
else begin //接收过程结束，计数器清零
clk_cnt <= 16'd0;
rx_cnt <= 4'd0;
end
end
//根据接收数据计数器来寄存uart接收端口数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if ( !sys_rst_n)
rxdata <= 8'd0;
else if(rx_flag) //系统处于接收过程
if (clk_cnt == BPS_CNT/2) begin //判断系统时钟计数器计数到数据位中间
case ( rx_cnt )
4'd1 : rxdata[0] <= uart_rxd_d1; //寄存数据位最低位
4'd2 : rxdata[1] <= uart_rxd_d1;
4'd3 : rxdata[2] <= uart_rxd_d1;
4'd4 : rxdata[3] <= uart_rxd_d1;
4'd5 : rxdata[4] <= uart_rxd_d1;
4'd6 : rxdata[5] <= uart_rxd_d1;
4'd7 : rxdata[6] <= uart_rxd_d1;
4'd8 : rxdata[7] <= uart_rxd_d1; //寄存数据位最高位
default:;
endcase
end
else
rxdata <= rxdata;
else
rxdata <= 8'd0;
end
//数据接收完毕后给出标志信号并寄存输出接收到的数据
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_data <= 8'd0;
uart_done <= 1'b0;
end
else if(rx_cnt == 4'd9) begin //接收数据计数器计数到停止位时
uart_data <= rxdata; //寄存输出接收到的数据
uart_done <= 1'b1; //并将接收完成标志位拉高
end
else begin
uart_data <= 8'd0;
uart_done <= 1'b0;
end
end
//判断接收到的是不是打开led标记，即接收到十六进制20
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
if(!sys_rst_n)
led_open_flag <= 1'b0;
else if(uart_data == 8'h20)
led_open_flag <= 1'b1;
else
led_open_flag <= 1'b0;
end
//判断接收到的是不是关闭led标记，即接收到十六进制40
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
if(!sys_rst_n)
led_close_flag <= 1'b0;
else if(uart_data == 8'h40)
led_close_flag <= 1'b1;
else
led_close_flag <= 1'b0;
end
endmodule
3、串口发送模块uart_send，主要用来将FPGA接受到的数据再发送给串口调试助手。
module uart_send(
input sys_clk, //系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
input uart_en, //发送使能信号
input [7:0] uart_din, //待发送数据
output reg uart_txd //UART发送端口
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 9600; //串口波特率
localparam BPS_CNT = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg uart_en_d0;
reg uart_en_d1;
reg [15:0] clk_cnt; //系统时钟计数器
reg [ 3:0] tx_cnt; //发送数据计数器
reg tx_flag; //发送过程标志信号
reg [ 7:0] tx_data; //寄存发送数据
//wire define
wire en_flag;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//捕获uart_en上升沿，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign en_flag = (~uart_en_d1) & uart_en_d0;
//对发送使能信号uart_en延迟两个时钟周期
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
uart_en_d0 <= 1'b0;
uart_en_d1 <= 1'b0;
end
else begin
uart_en_d0 <= uart_en;
uart_en_d1 <= uart_en_d0;
end
end
//当脉冲信号en_flag到达时,寄存待发送的数据，并进入发送过程
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
tx_flag <= 1'b0;
tx_data <= 8'd0;
end
else if (en_flag) begin //检测到发送使能上升沿
tx_flag <= 1'b1; //进入发送过程，标志位tx_flag拉高
tx_data <= uart_din; //寄存待发送的数据
end
else
if ((tx_cnt == 4'd9)&&(clk_cnt == BPS_CNT/2))
begin //计数到停止位中间时，停止发送过程
tx_flag <= 1'b0; //发送过程结束，标志位tx_flag拉低
tx_data <= 8'd0;
end
else begin
tx_flag <= tx_flag;
tx_data <= tx_data;
end
end
//进入发送过程后，启动系统时钟计数器与发送数据计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
clk_cnt <= 16'd0;
tx_cnt <= 4'd0;
end
else if (tx_flag) begin //处于发送过程
if (clk_cnt < BPS_CNT - 1) begin
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
tx_cnt <= tx_cnt;
end
else begin
clk_cnt <= 16'd0; //对系统时钟计数达一个波特率周期后清零
tx_cnt <= tx_cnt + 1'b1; //此时发送数据计数器加1
end
end
else begin //发送过程结束
clk_cnt <= 16'd0;
tx_cnt <= 4'd0;
end
end
//根据发送数据计数器来给uart发送端口赋值
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
uart_txd <= 1'b1;
else if (tx_flag)
case(tx_cnt)
4'd0: uart_txd <= 1'b0; //起始位
4'd1: uart_txd <= tx_data[0]; //数据位最低位
4'd2: uart_txd <= tx_data[1];
4'd3: uart_txd <= tx_data[2];
4'd4: uart_txd <= tx_data[3];
4'd5: uart_txd <= tx_data[4];
4'd6: uart_txd <= tx_data[5];
4'd7: uart_txd <= tx_data[6];
4'd8: uart_txd <= tx_data[7]; //数据位最高位
4'd9: uart_txd <= 1'b1; //停止位
default: ;
endcase
else
uart_txd <= 1'b1; //空闲时发送端口为高电平
end
endmodule
4、led模块led
module led(clk,rst_n,led_open_flag,led_close_flag,led);
input clk;
input rst_n;
input led_open_flag;
input led_close_flag;
output reg led;
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
led <= 1'b0;
else if(led_open_flag)
led <= 1'b1;
else if(led_close_flag)
led <= 1'b0;
end
endmodule
四、Signal Tap仿真
将程序下载到开发版之后，打开串口调试助手，设置好波特率115200，停止位为1位，数据位为8位，无奇偶校验位（根据上面的程序设置，保持一致）
然后打开串口，注意串口调试助手默认以ASCII码的格式一个字节一个字节的发送（比如需要发送23，那么它会先发送第一个字节2，再发送第二个字节3），所以这里选择16进制发送格式，不发送新行。如果发送新行，我们接受到一个回车键的ASCII码即13。那么我们打开SignalTap，然后在串口调试助手的发送窗口发送16进制的20，可以看到仿真如下：
可以看出接收端口uart_rxd的开始位为0，接着是8位的数据位为00000100，最后是一个停止位为1。请注意最先接收的是数据的最低位，所以真正接收到的数据需要颠倒顺序，即00100000，我们可以看到这就是16进制的20。可以证明我们接收到的数据是正确的。同时看到led信号在接收到20之后，被拉高即led0被点亮。同理我们发送16进制的40,led0将被熄灭。如图：