1.实验说明
在上位机中通过串口调试助手向 PotatoPie 开发板中发送串口数据，开发板将接收到的数据发送给上
位机，完成数据的回环，该例程通信框图如下图所示
通过 UART 可以与主机或其他外部设备进行串口通信。
UART 是一种通用的数据通信协议，也是异步串行通信口的总称， 在进行 UART 通信时可以配置传输速度、
数据格式等参数， 将数据通过串行通讯进行传输。
UART 通信协议如下图所示：
管脚说明
set_pin_assignment { rx } { LOCATION = P52; }
set_pin_assignment { clk_ref } { LOCATION = P128; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { i_rst } { LOCATION = P55; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLDOWN; }
set_pin_assignment { tx } { LOCATION = P57; }- rx，UART接收管脚
- clk_ref，参考时钟
- i_rst，复位
- tx，UART发送管脚
实验现象
连接 PotatoPie 开发板，用USB转TTL串口线连接到开发板的UART IO上，下载 bit 文件，在上位机中打开串口调试助手，波特率选择 115200，数据位宽 8bit，无校验位， 1bit 停止位，利用串口同时发送 1~9 hex 数据。
上位机接收到的数据与发送的数据一致， UART 数据回环传输正确。
实验原理
UART介绍
UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是一种异步全双工串行通信协议，由Tx和Rx两根数据线组成，因为没有参考时钟信号，所以通信的双方必须约定串口波特率、数据位宽、奇偶校验位、停止位等配置参数，从而按照相同的速率进行通信。
起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始;数据位：可以是5~8位逻辑”0”或”1”；如ASCII码（7位），扩展BCD码（8位）；小端传输，即LSB先发，MSB后发;校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验);停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平（用于双方同步，停止位时间间隔越长，容错能力越强）;空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送;
↑图-1 起始位和停止位
↑图-2 数据位
↑传输“A”
上图是uart协议传输一个”A”字符通过示波器的uart解码而得到的波形示意图。根据此图来介绍一下uart的一些基本参数。 波特率：此参数容易和比特率混淆，其实他们是由区别的。但是我认为uart中的波特率就可以认为是比特率，即每秒传输的位数(bit)。一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。其实意思就是每秒传输这么多个比特位数(bit)。 起始位:先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输数据的开始。 数据位:可以选择的值有5,6,7,8这四个值，可以传输这么多个值为0或者1的bit位。这个参数最好为8，因为如果此值为其他的值时当你传输的是ASCII值时一般解析肯定会出问题。理由很简单，一个ASCII字符值为8位，如果一帧的数据位为7，那么还有一位就是不确定的值，这样就会出错。 校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。就比如传输“A”(01000001)为例。
1、当为奇数校验：”A”字符的8个bit位中有两个1,那么奇偶校验位为1才能满足1的个数为奇数(奇校验)。图-1的波形就是这种情况。
2、当为偶数校验：”A”字符的8个bit位中有两个1,那么奇偶校验位为0才能满足1的个数为偶数(偶校验)。
此位还可以去除，即不需要奇偶校验位。 停止位：它是一帧数据的结束标志。可以是1bit、1.5bit、2bit的空闲电平。可能大家会觉得很奇怪，怎么会有1.5位~没错，确实有的。所以我在生产此uart信号时用两个波形点来表示一个bit。这个可以不必深究。。。 空闲位：没有数据传输时线路上的电平状态。为逻辑1。 传输方向：即数据是从高位(MSB)开始传输还是从低位(LSB)开始传输。比如传输“A”如果是MSB那么就是01000001（如图-2），如果是LSB那么就是10000010（如下图的图-4）
uart传输数据的顺序就是：刚开始传输一个起始位，接着传输数据位，接着传输校验位(可不需要此位)，最后传输停止位。这样一帧的数据就传输完了。接下来接着像这样一直传送。在这里还要说一个参数。 帧间隔:即传送数据的帧与帧之间的间隔大小，可以以位为计量也可以用时间(知道波特率那么位数和时间可以换算)。比如传送”A”完后，这为一帧数据，再传”B”，那么A与B之间的间隔即为帧间隔。
↑图-3
↑图-4
上两图和下两图传送的数据和波特率都是一样的，但是有几个参数是故意设置反了从而形成对比。有助于更深入的理解UART。
实现原理
实现原理就不讲了吧，就是用IO模拟上一切中的串口波形，跟单片机一个思路，只不过FPGA可以更准确的实现UART所需的波形，波特率也能做到更高。
代码说明
代码层次结构如下：
- sys_pll,用于由板载的10M生成25M时钟。
- uart_rx,UART的接收模块。
- uart_tx，UART的发送模块。
design_top_wrapper
module design_top_wrapper(
input wire clk_ref ,
input i_rst,
input wire rx ,
output wire tx
);
//wire sys_clk;
//wire clko;
//EF2_PHY_OSCDIV inst(
// .rstn(1),
// .stdby(0),
// .div(7'b000_0100),
// .clko(clko));
//EF2_LOGIC_BUFG BUFG_inst(
//.o(sys_clk),
//.i(clko)
//);
//reg [7:0] cnt_rst;
//always @(posedge sys_clk) if (!cnt_rst[7]) cnt_rst <= cnt_rst + 1'b1;
//wire sys_rst_n = cnt_rst[7];
wire sys_clk;
reg [15:0] cnt_rst;
reg pll_rst;
reg [2:0] i_rst_sync;
always @(posedge clk_ref) i_rst_sync <= {i_rst_sync[1:0], i_rst};
always @(posedge clk_ref, posedge i_rst_sync[2]) begin
if (i_rst_sync[2]) begin
cnt_rst <= 16'd1;
pll_rst <= 1;
end
else begin
if (!cnt_rst[15])
cnt_rst <= cnt_rst << 1;
pll_rst <= ~cnt_rst[15];
end
end
wire sys_rst_n;
sys_pll u_sys_pll(.refclk(clk_ref),
.reset(pll_rst),
.stdby(0),
.extlock(sys_rst_n),
.clk0_out(sys_clk));
wire [7:0] rx_data ;
wire rx_flag ;
uart_rx
#(
.UART_BPS ( 115200 ),
.CLK_FREQ ( 58_470_000)
)
uart_rx_inst
(
.sys_clk ( sys_clk ),
.sys_rst_n( sys_rst_n ),
.rx ( rx ),
.out_data ( rx_data ),
.out_flag ( rx_flag )
);
uart_tx
#(
.UART_BPS ( 115200 ),
.CLK_FREQ ( 58_470_000 )
)
uart_tx_inst
(
.sys_clk ( sys_clk ),
.sys_rst_n( sys_rst_n ),
.in_data ( rx_data ),
.in_flag ( rx_flag ),
.tx ( tx )
);
endmodule可以看到在顶层PLL提供时钟，UART_TX提供发送，UART_RX进行接收，其中有一个rx_flag信号由UART_RX模块输出的，用于告知UART_TX进行发送，以完成环回。
sys_pll
是一个IP，不做代码分析。输入10M，输出25M，没什么可说的，关于IP配置可以参考软件教程。
UART_RX
模块端口
module uart_rx
#(
parameter UART_BPS = 'd9600 ,
parameter CLK_FREQ = 'd50_000_000
)
(
input wire sys_clk ,
input wire sys_rst_n ,
input wire rx ,
output reg [7:0] out_data ,
output reg out_flag
);- sys_clk，25M时钟
- sys_rst_n，复位
- rx，接收脚
- out_data，输出接收到的数据
- out_flag，输出接收到有效数据的信号
定义波特率计数器的最大计数值
localparam BAUD_CNT_MAX = CLK_FREQ / UART_BPS;
对rx管脚上输入的信号进行打拍同步
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
rx_reg1 <= 1'b1;
else
rx_reg1 <= rx;
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
rx_reg2 <= 1'b1;
else
rx_reg2 <= rx_reg1;
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
rx_reg3 <= 1'b1;
else
rx_reg3 <= rx_reg2;捕获UART起始条件，
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
start_flag <= 1'b0;
else if((rx_reg3 == 1'b1)&&(rx_reg2 == 1'b0)&&(work_en == 1'b0))
start_flag <= 1'b1;
else
start_flag <= 1'b0;
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
work_en <= 1'b0;
else if(start_flag == 1'b1)
work_en <= 1'b1;
else if((bit_cnt == 4'd8)&&(bit_flag == 1'b1))
work_en <= 1'b0;
else
work_en <= work_en;因为UART的起始条件是一个低脉冲，所以(rx_reg3 == 1'b1)&&(rx_reg2 == 1'b0)判定为下降沿时start_flag <= 1'b1;表示传输启动，同时work_en <= 1'b1;表示已在进行一次8bit UART传输。
(bit_cnt == 4'd8)&&(bit_flag == 1'b1) 为8bit传输完成判断。
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if((sys_rst_n == 1'b0))
baud_cnt <= 16'd0;
else if((baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1'b1)||(work_en == 1'b0))
baud_cnt <= 16'd0;
else
baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;上面代码用于产生波特率计时，后面的bit_flag用于标记一个计时满。
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
bit_cnt <= 4'd0;
else if((bit_flag == 1'b1)&&(bit_cnt == 4'd8))
bit_cnt <= 4'd0;
else if(bit_flag == 1'b1)
bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;上面代码表示进行接收bit的计数。
else if((bit_cnt == 4'd8)&&(bit_flag == 1'b1))
rx_flag <= 1'b1;rx_flag这个用于判定完成一个8bit接收，跟worker_on一样的逻辑。
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if((sys_rst_n == 1'b0))
rx_data <= 8'b0;
else if((bit_cnt >= 4'd1)&&(bit_cnt <= 4'd8)&&(bit_flag == 1'b1))
rx_data <= {rx_reg3,rx_data[7:1]};进行RX数据的采样和移位组装成8bit.由于UART先传你位，所以是左移。
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if((sys_rst_n == 1'b0))
out_data <= 8'b0;
else if(rx_flag == 1'b1)
out_data <= rx_data;
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if((sys_rst_n == 1'b0))
out_flag <= 1'b0;
else
out_flag <= rx_flag;将rx_data, out_flag寄存后输出给UART_TX模块使用。
UART_TX
模块端口
module uart_tx
#(
parameter UART_BPS = 'd9600 ,
parameter CLK_FREQ = 'd50_000_000
)
(
input wire sys_clk ,
input wire sys_rst_n ,
input wire [7:0] in_data ,
input wire in_flag ,
output reg tx
);in_data， 要发送的数据
in_flag，启动发送的标志位
tx，UART发送管脚
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
work_en <= 1'b0;
else if(in_flag == 1'b1)
work_en <= 1'b1;
else if((bit_cnt == 4'd9)&&(bit_flag == 1'b1))
work_en <= 1'b0;
else
work_en <= work_en;work_en表示正在进行传输，根据in_flag有效置1表示正在传输，
(bit_cnt == 4'd9)&&(bit_flag == 1'b1)，表示传输完9位则传输结束，work_en置0。
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
baud_cnt <= 16'd0;
else if((baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1'b1)||(work_en == 1'b0))
baud_cnt <= 16'd0;
else if(work_en == 1'b1)
baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
bit_flag <= 1'b0;
else if(baud_cnt == 16'd1)
bit_flag <= 1'b1;
else
bit_flag <= 1'b0;第一段是波特率延时计数器，bit_flag表示一个波特率延时已达。
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
bit_cnt <= 4'd0;
else if((bit_cnt == 4'd9)&&(bit_flag == 1'b1))
bit_cnt <= 4'd0;
else if((bit_flag == 1'b1)&&(work_en == 1'b1))
bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;
else
bit_cnt <= bit_cnt;对bit位进行计数。
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
tx <= 1'b1;
else if(bit_flag == 1'b1)
begin
case(bit_cnt)
0: tx <= 1'b0;
1: tx <= in_data[0];
2: tx <= in_data[1];
3: tx <= in_data[2];
4: tx <= in_data[3];
5: tx <= in_data[4];
6: tx <= in_data[5];
7: tx <= in_data[6];
8: tx <= in_data[7];
9: tx <= 1'b1;
default: tx = 1'b1;
endcase
end选择输出数据，每次延时到达，bitcnt计数器变化就输出一位，这段代码其实用移位操作更好。
可以看到UART_TX的代码要简单很多。
上面代码中UART_TX UART_RX各自维护自己的延时计数器，其实没有必要，可以共用。
