【黑金原创教程】【FPGA那些事儿-驱动篇I 】实验十三：串口模块②

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实验十三：串口模块② — 接收

我们在实验十二实现了串口发送，然而这章实验则要实现串口接收 ... 在此，笔者也会使用其它思路实现串口接收。

图13.1 模块之间的数据传输。

假设我们不考虑波特率，而且一帧数据之间的传输也只是发生在FPGA之间，即两只模块之间互转，并且两块模块都使用相同的时钟频率，结果如图13.1所示。只要成立上述的假设成立，串口传输不过是简单的数据传输活动而已，图中的发送模块经由TXD将一帧11位的数据发送至接收模块。

图13.2 发送与接收一帧数据。

至于两者之间的时序过程，则如图13.2所示 ... 发送方经由TXD，从T0~T10总共发送一帧为11位的数据，反之接收方则从T2~T9读取其中的8位数据而已（D为寄存器的暂存内容）。从图13.2当中，我们可以看见发送方，即TXD都是经由上升沿发送未来值，接收方D则是经由上升沿读取过去值。对此，Verilog可以这样描述，结果如代码13.1所示：

      //发送方

      reg [10:0]rTXD;

     always @（posedge CLOCK）

         case（i）

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

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

            ......

         endcase

      //接收方

      reg [7:0]D1;

     always @（posedge CLOCK）

         case（i）

           2,3,4,5,6,7,8,9:

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

            ......

         endcase

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

代码13.1

如代码13.1所示，发送方在步骤0~10一共发送一帧为11位的数据 ... 反之接收方，则在步骤2~9读取其中的数据[7:0]。心机重的朋友的一定会疑惑道，为什么笔者要换个角度去思考串口怎样接收呢？原因其实很简单，目的就是为了简化理解，脑补时序，实现精密控制。

对此，FPGA与其它设备互转数据，其实可以反映成两只模块正在互转数据，然而理想时序就是关键。因为Verilog无法描述理想以外的时序，对此所有时序活动都必须看成理想时序。

图13.3 FPGA接收一帧波特率为115200的数据。

当FPGA接收一帧数据为波特率115200之际，情况差不多如图13.3所示。50Mhz是FPGA的时钟源，也是一帧数据的采集时钟，RXD则是一帧数据的输入端。波特率为115200的一位数据经过50Mhz的时钟量化以后，每一位数据大约保持8.68us，即434个时钟。

串口传输没有自己的时钟信号，所以我们必须利用FPGA的时钟源“跟踪”每一位数据。对此，FPGA只能借用计数器“同步跟踪”而已，至于Verilog则可以这样描述，结果如代码13.2所示：

    0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10:  //同步跟踪中 ...

    if( C1 == 434 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end

    else C1 <= C1 + 1'b1;

代码13.2

如代码13.2所示，所谓同步跟踪，就是利用计数器估计每一位数据 ... 期间，步骤0~10表示每一位数据，至于C1计数434个时钟则是同步跟踪中。其中 -1 考虑了步骤之间的跳转所耗掉的时钟。

图13.4 读取起始位。

我们都知道串口的一帧数据都是从拉低的起始位开始，然而为了完美尾行，亦即实现精密控时，起始位的读取往往都是关键。如图13.4所示，当我们在第一个时钟读取（采集）起始位的时候，由于Verilog的读取只能经过读取过去值而已，余下起始位还有433个时钟需要我们跟踪，为此Verilog可以这样描述，结果如代码13.3所示：

0:

    if( RXD == 1'b0 ) begin i <= i + 1'b1; C1 <= C1 + 4'd1; end

    1: // stalk start bit

    if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end

    else C1 <= C1 + 1'b1;

代码13.3

如代码13.3所示，步骤0用来检测起始位，如果RXD的电平为拉低状态，C1立即递增以示同步跟踪已经用掉一个时钟，同样也可以看成i进入下一个步骤用掉一个时钟。然而步骤1是用来跟踪余下的433个时钟，但是计数器C1不是从0开始计数，而是从1开始计算，因为C1在步骤已经递增的缘故。

图13.5 读取一帧数据当中的数据位。

一帧数据的跟踪结果与读取结果如图13.5所示 ... 除了起始位，我们使用了两个步骤采集并跟踪之余，接下来便用8个步骤数据一边跟踪一边采集所有数据位，然而采集的时候则是1/4周期，即每位数据的第108个时钟。最后的校验位及结束位则是跟踪而已。对此，Verilog 可以这样表示，结果如代码13.4所示：

0:

    if( RXD == 1'b0 ) begin i <= i + 1'b1; C1 <= C1 + 4'd1; end

    1: // start bit

    if( C1 == 434 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end

    else C1 <= C1 + 1'b1;

    2,3,4,5,6,7,8,9:

    begin

        if( C1 == 108 ) D1[i-2] <= RXD;

        if( C1 == 434 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end

        else C1 <= C1 + 1'b1;

end

    10,11: // parity bit & stop bit

    if( C1 == 434 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end

    else C1 <= C1 + 1'b1;

代码13.4

如代码13.4所示，步骤0~1用来采集与跟踪起始位，步骤2~9则用来跟踪数据位，并且采集为1/4周期。步骤10~11则用来跟踪校验位于结束位。理解完毕以后，我们便可以开始建模了。

图13.6 实验十三的建模图。

图13.6是实验十三的建模图，rx_demo组合模块包含RX功能模块与核心操作。RX功能模块的左方链接至RXD顶层信号，它主要是负责一帧数据的接收，然后反馈给核心操作。核心操作则负责RX功能模块的使能工作，当它领取完成信号以后，变桨回收回来的数据再经由TXD顶层信号发送出去。

rx_funcmod.v

图13.7 RX功能模块的建模图。

图13.7是RX功能模块的建模图，左方链接至顶层信号RXD，右方则是问答信号还有8位的oData。

1.    module rx_funcmod

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         input RXD,

5.         input iCall,

6.         output oDone,

7.         output [7:0]oData

8.    );

9.        parameter BPS115K2 = 9'd434, SAMPLE = 9'd108;

10.

以上内容是相关的出入端声明，第9行则是波特率为115200的常量声明，其外还有采集的周期。

11.         reg [3:0]i;

12.         reg [8:0]C1;

13.         reg [7:0]D1;

14.         reg isDone;

15.

16.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

17.             if( !RESET )

18.                  begin

19.                         i <= 4'd0;

20.                         C1 <= 9'd0;

21.                         D1 <= 8'd0;

22.                         isDone <= 1'b0;

23.                    end

以上内容行是相关的寄存器声明，第17~22行则是这些寄存器的复位操作。

24.              else if( iCall )

25.                  case( i )

26.

27.                         0:

28.                         if( RXD == 1'b0 ) begin i <= i + 1'b1; C1 <= C1 + 4'd1; end

29.

30.                         1: // start bit

31.                         if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end

32.                         else C1 <= C1 + 1'b1;

33.

34.                         2,3,4,5,6,7,8,9: //stalk and count 1~8 data's bit , sample data at 1/2 for bps

35.                         begin

36.                            if( C1 == SAMPLE ) D1[i-2] <= RXD;

37.                            if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end

38.                            else C1 <= C1 + 1'b1;

39.                         end

40.

41.                         10,11: // parity bit & stop bit

42.                         if( C1 == BPS115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end

43.                         else C1 <= C1 + 1'b1;

44.

45.                         12:

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

47.

48.                         13:

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

50.

51.                    endcase

52.

以上内容是核心操作。第24行的 if( iCall ) 表示该模块不使能便不工作。步骤0~1用来判断与跟踪起始位；步骤2~9用来跟踪并且读取当中的数据位；步骤10至11则是用来跟踪校验位与停止位而已。步骤12~13则用来反馈完成信号，以示一次性的接收工作已经完成。

53.        assign oDone = isDone;

54.        assign oData = D1;

55.

56.    endmodule

以上内容是输出驱动声明。

rx_demo.v

rx_demo的连线布局请浏览回图13.6，至于核心操作的内容请浏览代码。

1.    module rx_demo

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         input RXD,

5.         output TXD

6.    );

以上内容是相关的出入端声明。

7.         wire DoneU1;

8.         wire [7:0]DataU1;

9.

10.        rx_funcmod U1

11.         (

12.             .CLOCK( CLOCK ),

13.              .RESET( RESET ),

14.              .RXD( RXD ),    // < top

15.              .iCall( isRX ),    // < core

16.              .oDone( DoneU1 ),  // > core

17.              .oData( DataU1 )   // > core

18.         );

19.

以上内容为是RX功能模块的实例化，第7~8是连线声明。

20.         parameter B115K2 = 9'd434, TXFUNC = 5'd16;

21.

22.         reg [4:0]i,Go;

23.         reg [8:0]C1;

24.         reg [10:0]D1;

25.         reg rTXD;

26.         reg isRX;

27.

28.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

29.             if( !RESET )

30.                  begin

31.                         i <= 5'd0;

32.                         C1 <= 9'd0;

33.                         D1 <= 11'd0;

34.                         rTXD <= 1'b1;

35.                         isRX<= 1'b0;

36.                    end

以上内容为相关的寄存器声明以及复位操作。第20行是波特率为115200常量声明之余还有伪函数的入口地址。第22~26行是相关的寄存器声明，第29~33行则是这些寄存器的复位操作。

37.              else

38.                  case( i )

39.

40.                         0:

41.                         if( DoneU1 ) begin isRX <= 1'b0; D1 <= { 2'b11,DataU1,1'b0 }; i <= TXFUNC; Go <= 5'd0; end

42.                         else isRX <= 1'b1;

43.

44.                         /**********/

45.

46.                         16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26:

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

48.                         else begin rTXD <= D1[i - 16]; C1 <= C1 + 1'b1; end

49.

50.                         27:

51.                         i <= Go;

52.

53.                    endcase

54.

以上内容为核心操作。步骤16~27是发送一帧数据的伪函数，笔者直接将TX功能整合进来。步骤0则是用来接收完成反馈，并且准备好发送输数，然后i指向伪函数。

55.        assign TXD = rTXD;

56.

57.    endmodule

以上内容是相关的输出驱动声明。编译完毕便下载程序，串口调试助手设置为 115200 波特率，8位数据位，奇偶校验位随便，停止位1。事后，每当串口调试助手想FPGA发送什么数据，FPGA也会回馈串口调试助手，不过仅限于一帧又有间隔的数据而已。目前是实验十三还不能支持数据流的接收，因为实验十三没有空间缓冲数据流 ... 此外，核心操作没发送一帧数据也有一定的时间耽误。

细节一：完整的个体模块

实验十三的RX功能模块已经是完整的个体模块，可以直接拿来调用。