寫在前面，希望記錄一下自己動手做的事情，拿來主義永遠是別人的
1、UART串口簡介
串口顧名思義，是將字節數據以bit位進行串行傳輸，特點是線路簡單，速度較慢。所以常用在工業控制，嵌入式等數據傳輸速度要求不高的場景中。
擴展：串行通信分兩種：同步串行和異步串行通信
同步串行：通信雙方在同一時鍾控制下，同步傳輸數據
異步串行：通信雙方使用各自時鍾控制數據發送與接收過程
2、UART串口接線與數據與數據包格式
接線：UART是一種采用異步串行通信方式的通用異步收發傳輸器（universal asynchronous receiver-transmitter），它在發送數據時將並行數據轉換成串行數據來傳輸，在接收數據時將接收到的串行數據轉換成並行數據。
UART串口通信需要兩根信號線來實現，一根用於串口發送，另外一根負責串口接收。
串口接線
數據包格式： 在進行具體的串口設計之前，先了解串口通信協議。通常串口的一次發送或接收由四個部分組成：起始位S（“一般為邏輯‘0’）、數據位D0~D7（一般為6位~8位之間可變，數據低位在前）、校驗位（奇校驗、偶檢驗或不需要校驗位）、停止位（通常為1位、1.5位、2位）。停止位必須為邏輯1。在一次串口通信過程中，數據接收與發送雙方沒有共享時鍾，因此，雙方必須協商好數據傳輸波特率。波特率即數據傳輸速率。根據雙方協議好的傳輸速率，接收端即可對發送端的數據進行采樣。常用的波特率有9600、19200、38400、57600以及115200等。當然更塊的速度意味着對采樣的要求更高，有可能誤碼率會逐漸提高。
通常對串口進行數據采樣，采用更高頻的時鍾。這樣做的目的是采用高頻時鍾來鎖存低頻時鍾，減少數據的誤碼率，增加接收模塊的自糾錯能力。
具體的工作流程為：
發送端按照預先設定好的波特率，發送起始位（Start）+數據位（data）+奇偶校驗位+結束位。其中，起始位為邏輯0，結束位為邏輯1，發送端在空閑狀態為1。發送數據包格式如下圖所示。
數據包格式
數據的奇偶校驗位是可以選擇的，如果不使用奇偶，那么就沒有這個數據位，本設計中沒有用到奇偶校驗位。
3、設計
接收端通過檢測電平‘1’到‘0’的跳變來確定一個數據包的開始。確定開始位接收完成之后，依次接收數據，使用更高的采樣時鍾，完成數據采集。接收完數據位后，繼續接收奇偶校驗位和停止位。
串口的接收與發送，其主要時序設計包括兩個部分：1、波特率的產生時序；2、數據傳輸時序，包括接收與發送。
波特率產生時序設計：假設FPGA輸入時鍾100Mhz，為得到常用的波特率，仍然采用計數分頻來得到。BAUD_DIV=100_000000/波特率。其中采樣中心點為發送或接收時鍾的中心點，即BAUD_DIV_CAP=100_000000/(2*波特率)。該部分在數據接收和發送部分均單獨完成。如下圖所示
方案圖
數據接收模塊：在設置好傳輸波特率的情況下，根據串口傳輸時序，進行解串。空閑狀態時，接收 數據為邏輯高電平，等待起始位邏輯低電平的到來。當起始位到達后，由低位到高位，依次采集8位數據，並進行相應的解串，存入臨時寄存器。接收有效數據完成后，判斷結束位，接收完畢。
數據發送模塊：設置發送使能信號和待發送的數據。通過計數器，表示10個數據發送的周期。這10個數據，依次為起始位+8位數據位+1位結束位，實現數據位的逐個發送。
RX模塊：
`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: // Engineer: // // Create Date: 2020/09/21 13:51:32 // Design Name: // Module Name: UART_RX // Project Name: // Target Devices: // Tool Versions: // Description: // // Dependencies: // // Revision: // Revision 0.01 - File Created // Additional Comments: // ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module uart_rx_path( input clk_100m, input uart_rx_i, output [7:0] uart_rx_data_o, output uart_rx_done, output baud_bps_sim ); parameter [13:0] BAUD_DIV = 14'd13020; //9600bps ,50Mhz parameter [13:0] BAUD_DIV_MID= 14'd6510; //collection mid (*mark_debug="true"*) reg [13:0] baud_div =0; (*mark_debug="true"*) reg baud_bps =0; (*mark_debug="true"*) reg bps_start =0; always @(posedge clk_100m) begin if(baud_div==BAUD_DIV_MID)begin baud_bps<= 1'b1; baud_div<= baud_div +1'b1; end else if(baud_div<BAUD_DIV && bps_start)begin//當波特率啟動時，計數器累加 baud_div <= baud_div +1'b1; baud_bps <= 0; end else begin baud_bps<=0; baud_div<=0; end end (*mark_debug="true"*) reg [4:0] uart_rx_i_r = 5'b11111; always @(posedge clk_100m) begin uart_rx_i_r <= {uart_rx_i_r[3:0],uart_rx_i}; end wire uart_rx_int = uart_rx_i_r[4]|uart_rx_i_r[3]|uart_rx_i_r[2]|uart_rx_i_r[1]|uart_rx_i_r[0]; (*mark_debug="true"*) reg[3:0] bit_num = 0; (*mark_debug="true"*) reg uart_rx_done_r =0; (*mark_debug="true"*) reg state =1'b0; (*mark_debug="true"*) reg [7:0] uart_rx_data_0_r0 = 0; //process reg [7:0] uart_rx_data_0_r1 = 0; //done always @(posedge clk_100m) begin uart_rx_done_r <= 1'b0; case (state) 1'b0: if(!uart_rx_int)begin bps_start<=1'b1; state<=1'b1; end 1'b1: if(baud_bps) begin bit_num<=bit_num+1'b1; if(bit_num<4'd9) uart_rx_data_0_r0[bit_num-1]<= uart_rx_i; //else //uart_rx_data_0_r0 <= uart_rx_data_0_r0; end else if (bit_num==4'd10)begin bit_num <= 0; uart_rx_done_r <= 1'b1; uart_rx_data_0_r1 <= uart_rx_data_0_r0; state<=1'b0;//進入狀態0，再次循環檢測 bps_start<=0; end default:; endcase end assign baud_bps_tb=baud_bps;//for simulation assign uart_rx_data_o=uart_rx_data_0_r1; assign uart_rx_done=uart_rx_done_r; endmodule
TX模塊
module uart_tx_path( input clk_i, input [7:0] uart_tx_data_i, //待發送數據 input uart_tx_en_i, //發送發送使能信號 output uart_tx_o ); parameter BAUD_DIV = 14'd13020;//波特率時鍾，9600bps，100Mhz/9600=10416，波特率可調 parameter BAUD_DIV_CAP = 14'd6510;//波特率時鍾中間采樣點，100Mhz/9600/2=d208，波特率可調 (*mark_debug="true"*)reg [13:0] baud_div=0; //波特率設置計數器 (*mark_debug="true"*)reg baud_bps=0; //數據發送點信號,高有效 reg [9:0] send_data=10'b1111111111;//待發送數據寄存器，1bit起始信號+8bit有效信號+1bit結束信號 (*mark_debug="true"*)reg [3:0] bit_num=0; //發送數據個數計數器 (*mark_debug="true"*)reg uart_send_flag=0; //數據發送標志位 (*mark_debug="true"*)reg uart_tx_o_r=1; //發送數據寄存器，初始狀態位高 always@(posedge clk_i) begin if(baud_div==BAUD_DIV_CAP) //當波特率計數器計數到數據發送中點時，產生采樣信號baud_bps，用來發送數據 begin baud_bps<=1'b1; baud_div<=baud_div+1'b1; end else if(baud_div<BAUD_DIV && uart_send_flag)//數據發送標志位有效期間，波特率計數器累加，以產生波特率時鍾 begin baud_div<=baud_div+1'b1; baud_bps<=0; end else begin baud_bps<=0; baud_div<=0; end end always@(posedge clk_i) begin if(uart_tx_en_i) //接收數據發送使能信號時，產生數據發送標志信號 begin uart_send_flag<=1'b1; send_data<={1'b1,uart_tx_data_i,1'b0};//待發送數據寄存器裝填，1bit起始信號0+8bit有效信號+1bit結束信號 end else if(bit_num==4'd10) //發送結束時候，清楚發送標志信號，並清楚待發送數據寄存器內部信號 begin uart_send_flag<=1'b0; send_data<=10'b1111_1111_11; end end always@(posedge clk_i) begin if(uart_send_flag) //發送有效時候 begin if(baud_bps)//檢測發送點信號 begin if(bit_num<=4'd9) begin uart_tx_o_r<=send_data[bit_num]; //發送待發送寄存器內數據，從低位到高位 bit_num<=bit_num+1'b1; end end else if(bit_num==4'd10) bit_num<=4'd0; end else begin uart_tx_o_r<=1'b1; //空閑狀態時，保持發送端位高電平，以備發送時候產生低電平信號 bit_num<=0; end end assign uart_tx_o=uart_tx_o_r; endmodule
TOP模塊
module uart_top( input clk_i_p, input clk_i_n, //input clk_i, input uart_rx_i, output uart_tx_o ); wire [7:0] uart_rx_data_o; wire uart_rx_done; wire clk_i; IBUFDS IBUFDS_inst ( .O(clk_i), // 1-bit output: Buffer output .I(clk_i_p), // 1-bit input: Diff_p buffer input (connect directly to top-level port) .IB(clk_i_n) // 1-bit input: Diff_n buffer input (connect directly to top-level port) ); uart_rx_path uart_rx_path_u ( .clk_100m(clk_i), .uart_rx_i(uart_rx_i), .uart_rx_data_o(uart_rx_data_o), .uart_rx_done(uart_rx_done) ); uart_tx_path uart_tx_path_u ( .clk_i(clk_i), .uart_tx_data_i(uart_rx_data_o), .uart_tx_en_i(uart_rx_done), .uart_tx_o(uart_tx_o) ); endmodule
Test_bench(本文開發板是KCU105,用的125差分，在仿真時，將頂層差分時鍾屏蔽，復原clk_i單端即可，波特率使用125Mhz/9600，改為100Mhz/9600即可)
`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2020/09/21 13:55:20
// Design Name:
// Module Name: uart_top_tb
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
module uart_top_TB;
reg clk_i_p;
reg clk_i_n;
reg rst_n_i;
reg uart_rx_i;
wire [7:0] uart_tx_o;
uart_top u_uart_top
(
.clk_i_p (clk_i_p),
.clk_i_n (clk_i_n),
//.rst_n_i (rst_n_i),
.uart_rx_i (uart_rx_i),
.uart_tx_o (uart_tx_o)
);
initial
begin
clk_i_p = 0;
clk_i_n = 1;
rst_n_i = 0;
uart_rx_i = 1'b1;
// Wait 100 ns for global reset to finish
#96;
rst_n_i=1;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;//start
//1001_0101
#104170
uart_rx_i = 1'b1;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;//stop
#808320
//00000101
uart_rx_i = 1'b0;//start
#104170
uart_rx_i = 1'b1;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;//stop
#808320
//10000100
uart_rx_i = 1'b0;//start
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b0;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;
#104170
uart_rx_i = 1'b1;//stop
end
always
begin
#2 clk_i_p = ~clk_i_p;
#2 clk_i_n = ~clk_i_n;
end
endmodule
仿真發送的第一個數據是，10010101，，對應的Hex為95，第二個是00000101，hex為05。
4、綜合布線前仿真如下：
接收模塊正確
發送仿真ok
5、上板子調試
結果
測試結果
有誤碼情況：
波特率提高時，會有誤碼出現，后面有時間再來改善一下。
誤碼圖：
原先的Kcu105自帶USB轉串口，但是實際過程中效果不理想（出現出廠自帶的測試東西），所以我用的以前的PL2303這個USB轉串口，外掛了兩個Pin管腳，效果還行。