常用串行总线(一)——UART协议(Verilog实现)-FPGA CPLD资料源码分享社区-FPGA CPLD-ChipDebug

常用串行总线(一)——UART协议(Verilog实现)

目录/contents

● UART基础知识

● UART传输协议

● UART代码实现

● UART的优缺点

01

UART基础知识

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作UART。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片,UART通常被集成于其他通讯接口的连结上。

具体实物表现为独立的模块化芯片,或作为集成于微处理器中的周边设备。一般是RS-232C规格的,与类似Maxim的MAX232之类的标准信号幅度变换芯片进行搭配,作为连接外部设备的接口。在UART上追加同步方式的序列信号变换电路的产品,被称为USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)。

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1.1 早期串行通讯设备

早期的电报机器使用长度可变的脉冲信号(摩斯电码)进行数据传输,后来出现的电传打印机(teleprinters )使用5、6、7或8个数据位来表示各种字符编码。随着电传打印机的普及,最终发展成为计算机外围设备。

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由于历史的发展原因,早期在Unix终端是一个名字为ASR33的电传打字机,而电传打字机的英文单词为Teletype(或Teletypewritter),缩写为TTY。因此,终端设备也被称为tty设备。这就是TTY这个名称的来源。

1.2 早期的芯片级UART

DEC(Digital Equipment Corporation)公司的Gordon Bell 为该公司的PDP系列计算机设计了第一个UART,不过体积庞大,UART的线路占据了整个电路板;后来DEC将串行线路单元的设计浓缩为早期的UART单芯片,以方便自己使用。西部数据(Western Digital)公司在1971年左右将其开发为第一个广泛可用的UART单芯片 WD1402A。这是中型集成电路的早期产品。

DEC是美国一家计算机公司;Western Digital是美国计算机硬盘驱动器制造商和数据存储公司。

1.3 现代串行通讯设备

2000年开始,大多数IBM或者相关的计算机都删除了其外部RS232的COM端口,将其替换为带宽性能更加出色的USB端口;对于仍然需要RS-232串行COM端口的用户,现在通常使用外部USB转UART转换器,常见的有CH340,Silicon Labs 210x的驱动程序,现在很多处理器和芯片都内置了UART。

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02

UART传输协议

2.1 UART协议

在串口通信中,数据在1位宽的单条线路上进行传输,一个字节的数据要分为8次,由低位到高位按顺序一位一位的进行传送,这个过程称为数据的”串行化(serialized)”过程。由于串口通信是一种异步通信协议,并没有时钟信号随着数据一起传输,而且空闲状态(没有数据传输的状态)的时候,串行传输线为高电平1,所以发送方发送一个字节数据之前会先发送一个低电平0,接收方收到这个低电平0以后就知道有数据要来了,准备开始接收数据从而实现一次通信。串口通信的时序如下图所示:

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串口通信的规范如下:

 1. 空闲状态(没有数据传输的状态)下,串行传输线上为高电平1;

 2. 发送方发送低电平0表示数据传输开始,这个低电平表示传输的起始位;

 3. 8-bit的数据位(1 Byte)是从最低位开始发送,最高位最后发送;

 4. 数据位的最高位发送完毕以后的下一位是奇偶校验位,这一位可以省略不要,同时,当不发送奇偶校验位的时候接收方也相应的不接收校验位;

 5. 最后一位是停止位,用高电平1表示停止位。

下面以发送字节0x55为例来说明整个的发送过程:

先把0x55转化成二进制为:01010101。显然0x55的最低位bit 0是1,次低位bit 1是0,……..,最高位bit 7是0,由于串口是从最低位开始发送一个字节,所以0x55各个位的发送顺序是1-0-1-0-1-0-1-0,波形如下图所示:

图片[5]-常用串行总线(一)——UART协议(Verilog实现)-FPGA CPLD资料源码分享社区-FPGA CPLD-ChipDebug

下面在给出一个波形,根据上面的规则也可以很容易判断这是发送字节0x13的波形:

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2.1.1 起始位

UART数据传输时在不传输数据时保持在高电平,当开始传输数据时,先发出1bit位宽的低电平,表示数据开始传输,即为起始位。

2.1.2 数据位

数据位包含正在传输的实际数据,位宽可以为4bit到10bit,大多数情况下,数据首先从低有效位发送。

2.1.3 校验位

串口通信中的一种交错方式,通常有偶校验、奇校验、高校验和低校验四种检错方式,没有校验位也是可以的。

偶校验:数据位加上校验位后,“1”的位数应为偶数;

奇校验:数据位加上校验位后,“1”的位数应为奇数;

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2.1.4 停止位

在数据发送结束后发送一位高电平用于停止标识。

由于数据是在传输线上定时的,并且每一个设备有其自己的时钟,很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束,并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多,不同时钟同步的容错性越好,但是数据传输率同时也越慢。

3.1.5 波特率

串口数据的传输速度用波特率(bit/s)进行衡量,常见的波特率有:9600、19200、38400、57600、115200。假设UART配置为1bit起始位,8bit数据位,没有校验位,1bit停止位,那么9600bit/s的波特率可得出每一位数据的时间宽度为:T=1/9600*10=1.04ms,即每个字节(10bit数据)传输需要1.04ms。同理可得各个波特率下数据位传输时间宽度。

2.2 UART传输过程

1. 发送端数据总线将数据包并行传输给发送端UART;

2. 发送端UART将起始位、奇偶校验位和停止位添加到数据包中;

3. 接收端UART解析数据包数据;

4. 接收端UART将所解析的数据传输给接收端数据总线。

03

UART代码实现

3.1 UART目标实现功能

设计一个UART发送模块和接收模块,具体要求如下:

1. 设计一个UART发送模块,该模块接收一个8位输入数据并采用UART协议发送,UART 采用10位传输协议,即一位起始位,8位数据位,一位终止位。发送数据时先发低位数据,最后发高位数据。要求波特率为1K。模块的定义如下:

module uart_tx (

clk_40k,      //clock signal, 40kHz

rst_n,         //reset signal, active low

din,        //the input data which will be sent by the UART module, 8 bit width

send_start,//the start enable signal, active high, the width is one clock period

bit_out        //the serial output data

);

 

2. 设计一个UART接收模块,模块的定义如下:

module uart_tx (

clk_40k,      //clock signal, 40kHz

rst_n,         //reset signal, active low

din,        //the input data which will be sent by the UART module, 8 bit width

send_start,//the start enable signal, active high, the width is one clock period

bit_out        //the serial output data

);

 

3. 设计一个testbench,对发送模块和接收模块进行测试,测试过程如下,testbench产生一个随机数,然后启动uart_tx模块发送至uart_rx模块,当uart_rx模块接收到有效数据后,自动判断接收的数据是否正确。

 

3.2 Verilog代码

1. 发送模块 (uart_tx):

module uart_tx (

clk_40k,//clock signal, 40kHz

rst_n, //reset signal, active low

din,//the input data which will be sent by the UART module, 8 bit width

send_start,//the start enable signal, active high, the width is one clock period

bit_out//the serial output data

);

input [7:0] din;

input clk_40k;

input rst_n;

input send_start;

output bit_out;

reg flag;

reg tx_flag;

reg [6:0] cnt;

reg [5:0] tx_cnt;

reg [9:0] din_temp;

//flag: 发送过程flag始终拉高

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    flag <= 1'b0;

else if(send_start == 1'b1)

    flag <= 1'b1;

else if(tx_flag == 1'b1)

    flag <= 1'b0;

end

//tx_flag: 发送结束tx_flag拉高

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    tx_flag <= 1'b0;

else if(flag == 1'b1 && din_temp[0] == 1'b0)

    tx_flag <= 1'b1;

else if(tx_cnt == 7'd10)

    tx_flag <= 1'b0;

end

//cnt: 发送数据计数,clk_40k分频至1k波特率对传输数据进行计数

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    cnt <= 7'b0;

else if(tx_flag == 1'b1 && cnt != 7'd39)

    cnt <= cnt + 1'b1;

else

    cnt <= 7'b0;

end

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    tx_cnt <= 6'b0;

else if(tx_flag == 1'b1 && cnt == 7'd39)

    tx_cnt <= tx_cnt + 1'b1;

else if(tx_flag == 1'b0)

    tx_cnt <= 6'b0;

end

//din_temp: 8bit数据移位操作,串行输出

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    din_temp <= 10'b1111111111;

else if(flag == 1'b1 || send_start == 1'b1)

    din_temp <= {1'b1,din,1'b0};

else if(tx_flag == 1'b1 && cnt == 7'd39)

    din_temp <= {1'b1,din_temp[9:1]};

end

assign bit_out = din_temp[0];

endmodule

 

2. 接收模块 (uart_rx):

module uart_rx (

clk_40k,   //clock signal, 40kHz

rst_n,       //reset signal, active low

bit_in,    //the input serial bit,

dout_vld,//the output valid signal, active high,the dout is valid when this signal is high.

dout      //received data, 8 bit width

);

input bit_in;

input clk_40k;

input rst_n;

output reg dout_vld;

output reg [7:0] dout;

reg rx_flag;

reg [6:0] cnt;

reg [5:0] rx_cnt;

reg [7:0] dout_temp;

//rx_flag: 接收过程rx_flag始终拉高

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    rx_flag <= 1'b0;

else if(bit_in == 1'b0)

    rx_flag <= 1'b1;

else if(rx_cnt == 6'd9)

    rx_flag <= 1'b0;

end

//cnt: 接收数据计数,clk_40k分频至1k波特率对接收数据进行计数

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    cnt <= 7'b0;

else if(rx_flag == 1'b1 && cnt != 7'd39)

    cnt <= cnt + 1'b1;

else if(rx_flag == 1'b0 || cnt == 7'd39)

    cnt <= 7'b0;

end

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    rx_cnt <= 6'b0;

else if(rx_flag == 1'b1 && cnt == 7'd39)

    rx_cnt <= rx_cnt + 1'b1;

else if(rx_flag == 1'b0)

    rx_cnt <= 6'b0;

end

//dout_temp: 将串行接收数据转换还原为8bit数据

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    dout_temp <= 8'b0;

else if(rx_flag == 1'b1 && cnt == 7'd39)

begin

    dout_temp[7] <= bit_in;

    dout_temp[6:0] <= dout_temp[7:1];

end

end

//dout_vld: 传输完成标识,8bit数据传输结束拉高

always @ (posedge clk_40k)

begin

if(~rst_n)

    dout_vld <= 1'b0;

else if(rx_cnt == 6'd9 && cnt == 7'b0)

begin

    dout <= dout_temp;

    dout_vld <= 1'b1;

end

else

    dout_vld <= 1'b0;

end

endmodule

 

3. Testbench(tb):

`timescale 1us/1us

module tb();

reg clk_40k;

reg rst_n;

reg [7:0] din;

reg send_start;

wire bit_out;

wire bit_in;

wire dout_vld;

wire [7:0] dout;

assign bit_in = bit_out;

uart_tx i_uart_tx(

.clk_40k          (clk_40k   ),

.rst_n              (rst_n     ),

.din                 (din       ),

.send_start     (send_start),

.bit_out           (bit_out   )

);

uart_rx i_uart_rx(

.clk_40k          (clk_40k   ),

.rst_n              (rst_n     ),

.bit_in             (bit_in       ),

.dout_vld        (dout_vld     ),

.dout               (dout      )

);

initial

begin

    rst_n = 1'b0;

    #10

    rst_n = 1'b1;

end

initial

begin

    clk_40k = 1'b0;

    forever

    #1

    clk_40k = ~clk_40k;

end

initial

begin

    send_start = 1'b0;

    din = 8'd0;

    forever

    begin

        #1000

        din = $random()%256;

        send_start = 1'b1;

        #2

        send_start = 1'b0;

    end

end

endmodule

 

4. 仿真结果 :

按照testbench对UART收发端进行仿真,仿真结果如图:

图片[8]-常用串行总线(一)——UART协议(Verilog实现)-FPGA CPLD资料源码分享社区-FPGA CPLD-ChipDebug

1. 系统时钟和传输速率通常不一致,clk_40k为高频系统时钟,利用计数器分频实现1k波特率;

2. 复位信号rst_n低电平有效,正常传输时始终处于高电平。

3. 开始传输时send_start信号拉高,传输结束时dout_vld信号拉高;

4. 输入数据din在传输结束后在输出数据dout体现出来,传输时延为1个数据长度。

04

UART的优缺点

4.1 UART协议优点

1. 通信只需要两条数据线;

2. 无需时钟信号;

3. 有奇偶校验位,方便通信的差错检查;

4. 只需要接收端和发送端设置好数据包结构,即可稳定通信。

 

4.2 UART协议缺点

1. 数据帧最大支持9位数据;

2. 不支持多主机或多从机的主从系统。

 THE END 

 

 

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