FPGA协议篇：UART通信及Verilog最易懂实现方式/通用于任何工程/带握手信号 —-UART_TX

概述：

        UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种通用的异步收发传输协议，用于在计算机系统和外部设备之间进行串行数据传输。UART 协议定义了数据的传输格式和通信规则，使得不同设备之间能够进行可靠的数据交换。

首先先把设计代码放到这里：UART_TX完整代码下载

以下是 UART 协议的几个关键要素：

        1、异步传输：UART 使用异步传输方式，不需要共享时钟信号来进行数据同步。发送端和接收端通过起始位、数据位和停止位进行数据的有效传输。

        2、起始位和停止位：在每个数据字节的开始之前，UART 使用一个起始位来标识传输的起始点。而在数据字节的末尾，UART 添加一个或多个停止位以标识传输的结束。起始位和停止位的数量可以根据协议和设置进行配置。

        3、数据位：UART 协议规定了数据位的传输顺序和位数。数据位是实际传输的数据位数，典型的位数为 5、6、7 或 8 位，具体取决于协议和配置。重要的一点：UART的传输数据为：

        4、波特率：UART 通信的波特率指的是每秒传输的位数。发送端和接收端必须以相同的波特率进行通信，以确保数据的正确传输。常见的波特率包括 9600、115200 等。

        5、校验位（可选）：为了增加数据传输的可靠性，UART 还可以使用校验位进行错误检测。校验位是在数据位之后添加的一个位，用于验证数据的准确性。常见的校验方式包括奇校验和偶校验。

UART 协议在许多应用中得到广泛应用，例如串口通信、嵌入式系统、传感器和外围设备等。它提供了一种简单而有效的数据传输方式，允许设备之间进行可靠的异步通信。

本章将介绍如何使用Verilog实现UART发送部分并进行下板验证：

一、UART构成

根据概述可以简单的提取出来，如下图：UART接受传输的数据格式：

讲解几个关键点：

        1、UART传输数据顺序：

                LSB → MSB，从最低位到最高位

                例如：d=8’b1011_0011    ：传输顺序：d[0]，d[1] ……. d[6]，d[7]

        2、通信方式：

                异步通信：“不需要额外的时钟线进行数据的同步传输”

                全双工传输：UART 只需要两条信号线:RXD 和 TXD ，可以同时进行传输

        3、传输数据速率：

                采用波特率作为传输数据的速率（每秒传输二进制位数的多少），单位：BPS，常用波特率有9600、14400、38400、57600…115200。

        例如波特率=115200，则它传输一位数据位(1bit)的时间为1/115200s

        两个设备通过UART传输的时候，必须是相同波特率。

二、时钟与波特率的计算

        涉及到两个量：

        1、FPGA时钟主频率：FPGA 主频指的是 FPGA 设备上时钟信号的频率，通常以赫兹（Hz）为单位。

        2、波特率：波特率指的是数据传输的速率，以位每秒（bps）为单位。

根据这两个量，可以计算出数据传输的时间，所需要的时钟周期：、

        例如：时钟频率100M，波特率115200bps

                bps_cnt = 100_000_000 / 9600 = 868 

        可以得出：FPGA传输数据，需要翻转868个时钟周期，才可以传输一位数据。

简单一点就是时钟频率除以波特率就是需要的计数。

三、Verilog实现

1、UART_TX设计框图        ​​​​​

部分代码：

module uart_tx #(
	parameter CHECK_BIT = "None",       //“None”无校验  “Odd”奇校验  “Even”偶校验
	parameter BPS       = 115200,       //系统波特率 
	parameter CLK       = 25_000_000,   //系统时钟频率 hz 
	parameter DATA_BIT  = 8,            //数据位（6、7、8）
	parameter STOP_BIT  = 1             //停止位 (1、2、3... 整数)
)(
	input	i_reset,
	input	i_clk,
	input	[DATA_BIT-1:0] i_data,
	input	i_valid,
	output	reg o_ready,
	output  reg o_txd
);

endmodule

2、UART_TX状态转移图

代码中采用三段式状态机：

IDLE：空闲状态，无数据传输，输出高电平，当i_valid信号到来时跳转到START状态；

START：起始位，无数据传输，输出低电平为 ，无条件跳转至DATA状态；

DATA：数据位，进行数据传输，先发送低比特，根据数据输出高低电平，假如有校验位，跳到CHECK状态，假如数据传输不设校验位，跳转到STOP状态；

CHECK：奇偶校验位处理状态，根据CHECK_BIT参数进行添加校验位值。

STOP：停止位状态，输出STOP_BIT个高电平。 

部分代码：

 reg [3:0] c_state, n_state;
    parameter   IDLE    = 0,
                STATE   = 1,
                DATA    = 2,
                CHECK   = 3,
                STOP    = 4;

///* FSM *3 *//
    always @(posedge i_clk, posedge i_reset) begin
        if (i_reset)
            c_state <= 0;
        else
            c_state <= n_state;
    end

    always @(*) begin
        case (c_state)
            IDLE    :   begin
                            if (tx_en && i_valid)
                                n_state = STATE;
                            else
                                n_state = IDLE;
            end  

            STATE   :   begin
                            if (tx_en)
                                n_state = DATA; 
                            else
                                n_state = STATE;
            end

            DATA    :   begin
                            if (tx_en && tx_cnt >= DATA_BIT && CHECK_BIT == "None")
                                n_state = STOP;
                            else if (tx_en && tx_cnt >= DATA_BIT)
                                n_state = CHECK;
                            else
                                n_state = DATA;
            end 

            CHECK   :   begin
                            if (tx_en)
                                n_state = STOP;
                            else
                                n_state = CHECK;
            end

            STOP    :   begin
                            if (tx_en && stop_cnt == 1)
                                n_state = IDLE;
                            else
                                n_state = STOP;
            end
            
            default :   n_state = 0;

        endcase
    end

3、发送数据格式

此模块用于辅助大家更好的运用UART_TX模块，展示了握手信号的工作方式，以及串口发送模块的调用方法。

为了方便大家理解，给大家画了一个发送数据的时序图：

在数据发送过程中，握手信号的细致描述如下：（接收端即UART_TX模块）

初始状态：发送端准备好发送数据，并将VALID信号置高，表示数据有效。接收端处于等待状态，READY信号为低电平，表示接收端尚未准备好接收数据。

数据传输开始：发送端在VALID信号置高后，开始传输数据。发送端将要发送的数据值放置在DATA线上，并保持稳定。VALID信号保持高电平，表示数据一直有效。

握手信号等待：接收端检测到VALID信号置高后，开始等待READY信号的响应。接收端会持续监测READY信号状态，直到它被置高。

数据接收和响应：一旦接收端检测到READY信号置高，它表示接收端已经准备好接收数据。在READY信号置高后，发送端可以改变DATA的值，并且VALID信号也可以跟随着改变。这表示发送端可以发送下一个数据。

握手信号完成：发送端发送数据后，继续保持VALID信号的高电平，表示数据仍然有效。接收端在接收完数据后，如果准备好接收下一个数据，则保持READY信号的高电平。这样一个完整的握手信号周期就完成了。

通过这种握手信号的交互，发送端和接收端能够进行同步的数据传输。VALID信号的高电平表示数据有效，READY信号的高电平表示接收端准备好接收数据。只有在READY信号置高后，发送端才能改变数据并发送下一个数据。

这种握手机制确保了数据的可靠传输，发送端和接收端在数据传输过程中能够以协调的方式进行通信。

部分代码：

module UART_tx_gen_data(
	input clk_a,
	input rst_n,
	output txd
);

	reg [7:0] temp_data;
	reg [7:0] tx_data;
	reg tx_valid;
	wire ready;


	reg [3:0] c_state, n_state;
	parameter S0 = 0,
				S1 = 1;

	uart_tx #(
	.CHECK_BIT ("None"	)	,       //“None”无校验  “Odd”奇校验  “Even”偶校验
	.BPS       (115200	)	,       //系统波特率 
	.CLK       (25_000_000)	,   	//系统时钟频率 hz 
	.DATA_BIT  (8		)	,       //数据位（6、7、8）
	.STOP_BIT  (1       )   		//停止位
) TX (
	.i_reset(!rst_n),
	.i_clk(clk_a),
	.i_data(tx_data),
	.i_valid(tx_valid),
	.o_ready(ready),
	.o_txd(txd)
);

	always @(posedge clk_a, negedge rst_n) begin
		if (!rst_n)
			c_state <= 0;
		else 
			c_state <= n_state;
	end

四、下板验证

通过上面两个模块，既可以对串口发送进行验证，把UART_tx_gen_data置为顶层，然后对端口进行引脚约束，生成下载文件，然后下载到板卡：

同时打开串口调试助手，选择波特率115200，数据位8，停止位1，校验位none，按16进制显示：

然后运行程序，即可在接收窗口收到连续变换的数据：

这样的话，此UART_TX设计已经完全完成了，下一期将更新UART_RX的设计和讲解。

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