UART（通用異步收發(fā)器）串口通信是FPGA設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的通信方式之一。本文將介紹FPGA入門(mén)基礎(chǔ)中的UART串口通信設(shè)計(jì)，并附上相應(yīng)的代碼示例。

一、UART串口通信概述

UART串口通信是一種異步串行通信方式，通過(guò)一對(duì)傳輸線（TX和RX）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。在UART通信中，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位進(jìn)行傳輸，每個(gè)字節(jié)由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位組成。起始位為低電平，用于標(biāo)識(shí)一個(gè)字節(jié)的開(kāi)始；數(shù)據(jù)位通常為8位，表示實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；校驗(yàn)位用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)，可以選擇奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)或無(wú)校驗(yàn)；停止位為高電平，用于標(biāo)識(shí)一個(gè)字節(jié)的結(jié)束。

二、FPGA中的UART串口通信設(shè)計(jì)

在FPGA中實(shí)現(xiàn)UART串口通信，我們需要設(shè)計(jì)發(fā)送模塊和接收模塊。下面將分別介紹這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1. 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

發(fā)送模塊的主要任務(wù)是將FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)以UART格式發(fā)送出去。設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）配置串行通信參數(shù)：確定波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位等參數(shù)。

（2）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：使用FPGA內(nèi)部的Block RAM或FIFO（先進(jìn)先出）緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

（3）生成波特率時(shí)鐘：根據(jù)配置的波特率，使用FPGA內(nèi)部的計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘分頻器生成相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)。

（4）串行化數(shù)據(jù)：從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，并按照UART格式將其轉(zhuǎn)換為串行比特流。

（5）發(fā)送數(shù)據(jù)：將串行比特流通過(guò)TX線發(fā)送出去。

以下是發(fā)送模塊的部分偽代碼示例：

verilog復(fù)制代碼

// 偽代碼，僅用于說(shuō)明設(shè)計(jì)思路

// 配置參數(shù)

parameter BAUD_RATE = 9600;

parameter DATA_BITS = 8;

parameter STOP_BITS = 1;

// ...（其他參數(shù)配置）

// 波特率時(shí)鐘生成

// ...（使用計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘分頻器生成波特率時(shí)鐘）

// 數(shù)據(jù)發(fā)送

always @(posedge uart_tx_clk) begin

if (start_bit) begin

// 發(fā)送起始位

tx_line <= 0;

// ...（等待一個(gè)波特率時(shí)鐘周期）

start_bit <= 0; // 清除起始位標(biāo)志

end else if (data_index < DATA_BITS) begin

// 發(fā)送數(shù)據(jù)位

tx_line <= data_buffer[data_index];

// ...（等待一個(gè)波特率時(shí)鐘周期）

data_index <= data_index + 1;

end else if (parity_enable) begin

// 發(fā)送校驗(yàn)位（如果啟用）

// ...（計(jì)算校驗(yàn)位并發(fā)送）

end else begin

// 發(fā)送停止位

tx_line <= 1;

// ...（等待停止位時(shí)間）

// 發(fā)送完成處理（如重置計(jì)數(shù)器、標(biāo)志位等）

end

end

2. 接收模塊設(shè)計(jì)

接收模塊的主要任務(wù)是從RX線接收UART格式的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為FPGA內(nèi)部可處理的數(shù)據(jù)格式。設(shè)計(jì)步驟與發(fā)送模塊類(lèi)似，但需要考慮數(shù)據(jù)的同步和校驗(yàn)等問(wèn)題。以下是接收模塊的部分偽代碼示例：

verilog復(fù)制代碼

// 偽代碼，僅用于說(shuō)明設(shè)計(jì)思路

// ...（配置參數(shù)、生成波特率時(shí)鐘等步驟與發(fā)送模塊相同）

// 數(shù)據(jù)接收

always @(posedge uart_rx_clk) begin

if (sync_detected) begin

// 檢測(cè)到同步信號(hào)（起始位）

// ...（初始化接收狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等）

end else if (in_data_bit) begin

// 接收數(shù)據(jù)位

rx_data_buffer[data_index] <= rx_line;

// ...（等待一個(gè)波特率時(shí)鐘周期）

data_index <= data_index + 1;

// 檢查是否接收完所有數(shù)據(jù)位

if (data_index == DATA_BITS) begin

// 接收完成，處理校驗(yàn)位、停止位等

// ...（根據(jù)校驗(yàn)位檢查結(jié)果設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志位）

// ...（處理接收到的數(shù)據(jù)）

data_index <= 0; // 重置數(shù)據(jù)位索引

end

end

// ...（處理校驗(yàn)位、停止位等邏輯）

end