FPGA实现UART串口通信完整教程

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简介：UART是用于设备间串行通信的接口，FPGA由于其灵活性和高性能常被用作UART通信的核心硬件。本文将详细探讨如何使用Verilog语言在Cyclone IV E系列的EP4CE10F17C8 FPGA上实现UART串口的读写操作，包括波特率发生器、发送器、接收器、数据缓冲及奇偶校验等模块的设计与实现。通过实践，我们可以构建灵活的串行通信解决方案，适用于多种嵌入式系统。 FPGA的UART串口读写

1. UART串口通信原理

1.1 UART串口通信概述

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种广泛使用的串行通信协议。其基本功能是实现设备间的数据传输，不需要时钟同步，因此被大量应用于微控制器和计算机外设之间的通信。

1.2 UART通信的关键参数

UART通信的主要参数包括波特率（表示每秒传输的符号数）、数据位（传输的数据长度）、停止位（传输一个数据包后标记传输结束的位数）、校验位（检测传输数据是否有误的位）。这些参数决定了UART通信的速率和准确性。

1.3 UART通信的工作原理

在UART通信中，数据以帧的形式传输，每个帧由起始位、数据位、校验位（可选）、停止位组成。起始位用于通知接收方数据传输的开始，数据位携带实际数据信息，校验位用于差错检测，停止位表示数据包的结束。

通过以上要点，我们可以初步了解UART串口通信原理，为深入设计和实现UART模块奠定基础。在后续章节中，我们将探索如何在FPGA（现场可编程门阵列）上实现UART接口，并详细介绍UART模块的设计流程。

2. FPGA与UART接口

2.1 FPGA的硬件结构

2.1.1 FPGA的基本概念

FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可以通过用户编程来配置的集成电路。与传统的应用特定集成电路（ASIC）不同，FPGA可以在制造完成之后，通过编程来重新配置其内部逻辑功能。它由可编程逻辑块、可编程互连和I/O块组成。FPGA的可编程特性使其在通信、图像处理、嵌入式系统和其他需要快速原型设计和迭代的场合非常有用。

逻辑块中的可编程逻辑单元（如查找表、触发器和多路复用器）可以被配置成执行特定的逻辑功能。可编程互连允许这些逻辑单元之间以及与I/O块之间进行连接，使得信号能够在芯片内部传输。

FPGA的这种可编程特性极大地减少了设计周期，并允许开发者在硬件上实现复杂算法或接口，而不需要设计一个全新的ASIC。这种灵活性和可重配置性使得FPGA成为开发周期短、成本较低的解决方案。

2.1.2 FPGA的可编程特性

FPGA通过使用一个叫做“配置存储器”的部分来实现其可编程特性。这个配置存储器通常包含SRAM、Flash或者反熔丝等元件，用于存储FPGA的配置信息，这些信息定义了可编程逻辑块的功能以及它们之间的连接方式。

当FPGA加电时，配置存储器中的信息会被加载，定义好逻辑块的功能和互连。由于配置是通过软件进行的，所以可以多次更改，直到达到所需的系统行为。用户可以通过各种方法来配置FPGA，包括：

使用JTAG接口下载配置文件。
使用串行或并行闪存加载配置文件。
通过网络接口或者专用硬件接口下载配置信息。

这种配置的灵活性意味着FPGA可以适应多种不同的应用场景。从简单的逻辑设计到复杂的数字信号处理（DSP）系统，FPGA都可以根据具体需求进行定制。这种可编程特性还允许开发者通过更新固件来修复问题、添加新功能或优化性能，而无需改变硬件本身的物理设计。

2.2 UART在FPGA中的作用

2.2.1 FPGA中UART接口的实现方式

通用异步收发传输器（UART）是一种广泛使用的串行通信协议，它在FPGA中实现相对简单，能够提供一种不依赖于时钟同步的简便方式来传输数据。在FPGA中实现UART接口需要设计两个主要部分：UART发送器（TX）和接收器（RX）。由于FPGA的可编程特性，这些部分的实现可以完全根据应用需求定制。

实现UART接口在FPGA上的主要步骤如下：

确定波特率 ：波特率是UART通信中每秒传输的符号数，它影响着数据传输速率。在设计中，波特率需要和通信伙伴保持一致。
设计波特率发生器 ：波特率发生器用于生成接收和发送数据所需的时钟信号。
实现数据帧结构 ：UART通信中一个数据帧包括起始位、数据位、可选的奇偶校验位和停止位。
编写发送和接收逻辑 ：发送逻辑负责将数据按照UART帧结构串行输出，接收逻辑则负责从串行数据流中解析出数据帧，并提取出有效数据。

2.2.2 FPGA与外部设备的通信

通过UART接口，FPGA能够与各种外部设备进行通信。由于UART使用的是串行通信方式，它只需要两根线（一根用于发送，一根用于接收）即可实现全双工通信，大大简化了硬件连接的复杂性。

FPGA与外部设备通过UART通信时，通常会遵循一定的通信协议，这包括确定数据格式（比如8位数据位、无校验位和1位停止位），设置波特率，以及确定是采用硬件流控制（RTS/CTS）还是软件流控制（XON/XOFF）来管理数据的发送与接收。

FPGA在处理来自外部设备的数据时，可以通过UART接收器模块实时地捕获数据，并对捕获到的数据进行解析和处理。同样的，FPGA也可以将数据通过UART发送器模块发送到外部设备。这种通信方式适用于各种场景，比如调试、系统间的数据交换、远程设备控制等。

在一些应用中，为了提高效率和吞吐量，FPGA可能会同时与多个外部设备进行通信。此时，它需要具备多路复用和优先级管理的能力，以确保数据传输的效率和可靠性。这通常需要实现更高级的通信协议和更复杂的控制逻辑。

3. Verilog实现UART模块设计

3.1 Verilog语言基础

3.1.1 Verilog的基本语法

Verilog是一种硬件描述语言（HDL），广泛用于电子系统级设计和数字电路设计。基本语法包括模块（module）、端口（port）、参数（parameter）、变量（reg、wire）、赋值语句（=、<=）、行为语句（如always块）以及结构描述（如门级原语）。以下是一个简单的Verilog模块示例：

module example_module(input wire clk, input wire rst_n, output reg out); // 基本逻辑代码endmodule

模块 example_module 接受一个时钟信号 clk 、一个复位信号 rst_n ，并输出一个信号 out 。 reg 类型可以被赋值，而 wire 类型在组合逻辑中被赋值。

3.1.2 Verilog的模块化编程

模块化编程是Verilog中一个重要的概念，它允许设计师将复杂系统分解为可管理的小块。在模块中，可以定义内部信号和更小的子模块，从而实现更高级别的抽象。模块可以互相嵌套，以构建更大更复杂的电路。以下是一个模块内嵌模块的示例：

module inner_module(input wire clk, input wire in, output wire out); reg temp_reg; always @(posedge clk) begin temp_reg <= in; // 简单的D型触发器 end assign out = temp_reg;endmodulemodule outer_module(input wire clk, input wire in, output wire out); wire intermediate_signal; inner_module inner_inst(.clk(clk), .in(in), .out(intermediate_signal)); assign out = intermediate_signal;endmodule

在这个例子中， inner_module 定义了一个D型触发器，而 outer_module 使用了 inner_module 。模块化设计可以使代码更加清晰，易于维护和重用。

3.2 UART模块的设计流程

3.2.1 设计需求分析

在设计UART模块前，需要进行需求分析，明确UART的通信协议要求，比如数据位宽（通常是8位），停止位（1位、1.5位或2位），校验位（无校验、偶校验、奇校验）等。此外，需要考虑波特率的选择，以及是否需要支持流控（如RTS/CTS）。

3.2.2 UART模块的Verilog编码实现

UART模块的Verilog编码实现要考虑到上述需求分析的所有方面。以下是一个非常简化的UART发送器模块编码实现，只考虑了数据位和停止位：

module uart_tx ( input wire clk, // 时钟输入 input wire rst_n, // 复位信号，低电平有效 input wire [7:0] data, // 要发送的8位数据 input wire tx_start, // 发送开始信号 output reg tx,  // UART发送线 output wire tx_busy // 发送忙状态指示);// 状态机、计数器和逻辑实现// ...endmodule

这个模块中包括了对时钟信号、复位信号、数据输入、发送开始信号的处理，同时输出一个TX信号作为UART的发送线和一个忙状态指示。

请注意，这里只是给出了一个框架性的代码示例，实际的UART模块实现要复杂得多，需要包括完整的帧格式、波特率生成、同步处理、校验位计算和时序控制等逻辑。每个逻辑部分都需要详细地设计和编码，并且在设计完成后要进行仿真测试以验证设计的正确性。

4. 波特率发生器设计

4.1 波特率发生器的功能与作用

4.1.1 波特率的基本概念

在串口通信中，波特率指的是每秒钟传输的信号单位数。这些信号单位可以是位（bit）、字符或帧等。波特率发生器的主要作用就是为串口通信提供一个精确的时钟信号，以确保通信双方能够以预定的速率同步传输数据。

波特率发生器是UART通信的关键组件，其准确性直接影响到整个系统的稳定性和数据传输的可靠性。在设计波特率发生器时，需要考虑多种因素，如晶振频率、分频系数等，以确保其能够生成正确的波特率。

4.1.2 波特率与通信速率的关系

波特率与通信速率并非总是直接相关。通信速率是指每秒能够传输多少个字节（Byte/s），而波特率是以每秒多少个信号单位来计量的。在不考虑起始位、停止位和校验位的简单情况下，一个字节可以由10位信号单位组成（例如，1个起始位，8个数据位，1个停止位）。

在实际通信中，波特率和通信速率之间的关系会受到字符格式的影响。例如，如果通信格式为8数据位、1停止位、无校验位，那么在9600波特率下，实际通信速率大约为960字节/秒。因此，设计波特率发生器时，需要根据目标通信速率来设定合适的波特率。

4.2 波特率发生器的Verilog实现

4.2.1 设计思路和方法

在Verilog中设计波特率发生器通常涉及一个分频器，其核心思路是将FPGA的主时钟频率分频至所需波特率对应的频率。以下是实现该功能的一般方法：

确定FPGA的主时钟频率和目标波特率。
计算分频系数，即主时钟频率除以波特率的两倍（因为UART通信中，每个信号单位需要两个时钟周期）。
实现分频器逻辑，通常可以使用计数器来实现。

4.2.2 波特率发生器的测试与验证

在Verilog中设计完波特率发生器后，需要对其进行测试和验证，以确保其按照预期工作。这可以通过以下步骤实现：

仿真测试 ：首先使用Verilog的仿真工具进行测试，比如ModelSim。这一步骤中，可以通过模拟不同的输入条件（主时钟频率、目标波特率等）来验证分频器的输出是否正确。
硬件测试 ：将设计下载到FPGA硬件中，通过实际的硬件测试来验证波特率发生器。这通常涉及使用示波器或逻辑分析仪来观察分频器输出的实际时钟信号是否与计算出的波特率相匹配。
集成测试 ：将波特率发生器与其他UART模块集成在一起，进行全面的系统测试，以确保整个串口通信系统按照预期工作。

下面是一个简单的波特率发生器Verilog代码示例及其逻辑分析：

module baud_rate_generator( input clk, // 输入主时钟 input rst_n, // 复位信号，低电平有效 output reg baud_out // 波特率输出信号);// 参数定义parameter FREQ = 50_000_000; // 假设FPGA主时钟为50MHzparameter BAUD_RATE = 9600; // 目标波特率为9600localparam DIVIDE_BY = FREQ/(BAUD_RATE * 8) - 1; // 计算分频系数// 计数器变量reg [31:0] counter;always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin // 复位时重置计数器和输出信号 counter <= 0; baud_out <= 0; end else begin if (counter == DIVIDE_BY) begin // 达到分频值时翻转输出信号并重置计数器 counter <= 0; baud_out <= ~baud_out; end else begin // 计数器增加 counter <= counter + 1; end endendendmodule

上述代码定义了一个简单的分频器，用于生成目标波特率的输出信号。其中， DIVIDE_BY 是分频系数，通过计算得出。 baud_out 信号在达到分频值时翻转，从而产生所需的波特率时钟信号。在实际的FPGA项目中，波特率发生器可能需要更精细的设计，比如考虑不同的波特率设置选项和动态调整波特率的能力。

5. UART发送器实现

5.1 UART发送器的工作原理

5.1.1 发送器的数据封装流程

UART发送器在数据通信中扮演着至关重要的角色。其工作原理基于串行通信的规则，通过将并行的数据转换为串行的位流进行发送。数据封装是发送器处理数据的第一步，它涉及到将待发送的数据字节按照特定的格式进行打包。

在UART发送器中，一个标准的字节数据通常包括：起始位、数据位、可选的奇偶校验位和停止位。起始位标志着数据包的开始，对于一个字节来说，它是一个逻辑0。紧随其后的是数据位，一般为5到8位，最常用的是8位。奇偶校验位用于错误检测，它根据数据位的奇偶性来确定校验位的值，但并非所有通信协议都要求使用。最后，停止位用于标识数据包的结束，通常为1或2位逻辑1。

下面通过一个简单的例子来说明这一过程。假设要发送一个字节的数据0x55（二进制表示为01010101），波特率为9600（即每秒发送9600个符号），那么发送器会首先发送一个起始位，接着按照低位在前、高位在后的顺序发送8个数据位，然后根据所用协议决定是否添加奇偶校验位，最后发送一个停止位。

5.1.2 发送器的时序控制

时序控制是UART通信中的关键组成部分，它确保数据能够以正确的时序被发送和接收。在发送器端，时序控制需要确保数据在每个时钟周期内按位发送出去，并且符合波特率的要求。

UART通信中的波特率是指每秒传输的符号数，它决定了数据传输的速率。时序控制需要保证每个位在预定的波特率时长内发送，即每个位的持续时间相等。在硬件实现时，时序控制通常由一个波特率发生器来保证，该发生器会生成一个与波特率同步的时钟信号。

例如，在一个9600波特率的系统中，如果系统时钟为50MHz，那么波特率发生器需要将这个时钟分频至9600Hz。如果发送数据为8位，并且不包含校验位和停止位，则需要8 * (1/9600)秒 = 约833微秒来发送一个字节。

在实际的硬件实现中，时序控制的精度对于确保通信的可靠性至关重要。如果时钟信号的频率不够稳定或者分频精度不够，都可能导致数据传输错误。

5.2 UART发送器的Verilog设计

5.2.1 发送器模块的编码实现

接下来，我们将展示如何使用Verilog硬件描述语言来实现一个UART发送器模块。以下是一个简化的示例代码，用于展示基本的UART发送器设计：

module uart_tx ( input wire clk, // 系统时钟 input wire reset, // 复位信号 input wire [7:0] data, // 待发送的8位数据 input wire tx_start, // 发送开始信号 output reg tx,  // UART发送线 output wire tx_busy // 发送忙状态指示);// 假设波特率为9600，系统时钟为50MHzparameter BAUD_RATE = 9600;parameter CLOCK_FREQ = 50000000;parameter COUNTER_MAX = CLOCK_FREQ / BAUD_RATE;reg [3:0] bit_index; // 位索引，用于跟踪当前发送哪一位reg [15:0] baud_counter; // 波特率计数器reg [7:0] shift_reg; // 移位寄存器，用于存储数据reg is发送ing; // 发送中标志位// 波特率发生器always @(posedge clk or posedge reset) begin if (reset) begin baud_counter <= 0; is发送ing <= 0; end else begin if (is发送ing) begin if (baud_counter < COUNTER_MAX - 1) begin baud_counter <= baud_counter + 1; end else begin baud_counter <= 0; tx <= shift_reg[bit_index]; // 发送当前位 if (bit_index == 0) begin  is发送ing <= 0; // 发送完成 end else begin  bit_index <= bit_index - 1; // 移动到下一位 end end end else if (tx_start) begin is发送ing <= 1; bit_index <= 7; shift_reg <= data; // 加载新数据到移位寄存器 end endendassign tx_busy = is发送ing;endmodule

5.2.2 发送器的功能测试

在本模块中，我们需要对UART发送器进行功能测试，以验证其是否能够正确地发送数据。测试流程应该包括以下步骤：

配置测试环境，包括准备时钟信号、复位信号以及通信接口。
通过测试软件向FPGA发送控制信号，触发数据发送过程。
观察UART发送线（tx）在不同时间点上的电平状态，确认是否符合预期。
检查发送器的busy状态指示，验证是否正确反映了发送器的忙碌状态。
使用示波器或者逻辑分析仪捕获信号波形，确保数据的封装和时序符合UART协议的要求。
在不同的波特率设置下重复以上测试，确保时序控制的准确性。

在测试过程中，需要特别注意波特率的一致性，因为在不同的波特率设置下，数据位的持续时间会发生变化。通过正确配置波特率发生器，可以确保数据以稳定的时序被发送出去。如果发现时序不一致，需要检查波特率发生器的设计以及模块中的相关参数设置。

6. UART接收器实现

UART接收器在串口通信中扮演着至关重要的角色，负责从串行数据流中准确地提取信息，并转换为并行数据以便于处理器进一步处理。在本章节中，我们将深入了解UART接收器的工作机制、设计、测试和优化。

6.1 UART接收器的工作机制

UART接收器的主要功能是将串行数据流转换为并行数据。为了理解其工作机制，我们需要先分析其关键组成部分。

6.1.1 接收器的数据解封装流程

在UART通信中，数据通常以帧的形式进行传输，一个帧由起始位、数据位、可选的奇偶校验位以及停止位组成。接收器的工作首先从检测到起始位开始。

起始位检测 ：当检测到低电平信号时，接收器开始同步。
数据位接收 ：根据设定的波特率，接收器在预定的时间间隔内采样数据位。
校验位处理 ：若使用奇偶校验，接收器会验证接收到的数据位是否符合校验规则。
停止位识别 ：数据帧结束的标志是停止位，接收器通过识别停止位来确定数据包的结束。

6.1.2 接收器的同步与校验机制

为了正确解码数据，接收器必须与发送器的速率保持同步，并进行校验。

同步机制 ：接收器使用内部时钟和采样率来同步数据流。同步错误会导致数据错误接收。
校验机制 ：通过奇偶校验位来检查数据是否在传输过程中发生错误。

6.2 UART接收器的Verilog设计

设计UART接收器需要利用Verilog语言的特性来实现逻辑功能，包括状态机、计数器和控制逻辑等。

6.2.1 接收器模块的编码实现

在Verilog中实现UART接收器通常涉及以下步骤：

状态机设计 ：创建一个有限状态机（FSM）来管理接收器的不同工作阶段。
数据采样逻辑 ：使用时钟分频器和计数器来实现采样逻辑，并以合适的时序采样数据位。
控制信号生成 ：生成诸如接收准备好（ rxd_rdy ）和帧错误（ frame_err ）等控制信号。

以下是一个简化的Verilog代码片段，展示了接收器模块的框架：

module uart_rx ( input wire clk, // 时钟信号 input wire rst_n, // 异步复位信号，低电平有效 input wire rxd, // UART接收数据线 output reg [7:0] data_out, // 并行数据输出 output reg data_rdy, // 数据就绪标志位 output reg frame_err // 帧错误标志位 // 可能还需要其他信号，如溢出错误标志等);// 内部变量定义reg [3:0] bit_cnt; // 位计数器reg [3:0] clk_cnt; // 时钟计数器reg [7:0] shift_reg; // 移位寄存器reg [1:0] state; // 状态机变量// 状态机编码localparam IDLE = 2\'b00, // 空闲状态  START_BIT = 2\'b01, // 起始位检测状态  DATA_BITS = 2\'b10, // 数据位接收状态  STOP_BIT = 2\'b11; // 停止位检测状态// 接收器模块主体逻辑always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin // 异步复位逻辑 end else begin case (state) IDLE: begin // 进入空闲状态逻辑 end START_BIT: begin // 检测起始位逻辑 end DATA_BITS: begin // 接收数据位逻辑 end STOP_BIT: begin // 检测停止位逻辑 end endcase endendendmodule

6.2.2 接收器的功能测试

在Verilog中测试接收器功能通常涉及编写测试平台（testbench）来模拟UART数据帧的发送，并观察接收器是否能够正确解码这些帧。

6.3 数据缓冲与握手信号处理

接收器在数据到达时需要处理数据缓冲和同步握手信号。

6.3.1 数据缓冲的设计与实现

数据缓冲通常使用FIFO（先进先出）队列来实现，确保数据可以被接收器和处理器异步读取。

6.3.2 握手信号的同步机制

接收器和发送器之间的通信需要良好的握手机制，以确保数据传输的可靠性和完整性。

6.4 奇偶校验机制

奇偶校验是UART通信中一种基本的错误检测方法。

6.4.1 奇偶校验的基本原理

奇偶校验位用于验证数据帧中的1的数量是否为奇数或偶数，以检测单比特错误。

6.4.2 奇偶校验在UART中的应用

在UART设计中，可以选择奇校验或偶校验，并在接收端校验数据位的正确性。

6.5 FPGA资源使用与布局布线

设计时需考虑FPGA资源的使用情况，以及布局布线对通信性能的影响。

6.5.1 FPGA资源的合理分配

合理分配FPGA内部的逻辑单元、寄存器、存储器等资源对于优化接收器性能至关重要。

6.5.2 布局布线对性能的影响

布局布线的设计不仅影响时钟频率，还影响信号的完整性和系统稳定性。

6.6 UART通信测试与验证

对UART通信系统进行测试和验证是确保设计符合规格的重要步骤。

6.6.1 测试环境的搭建

搭建测试环境需要准备信号发生器、逻辑分析仪或使用软件模拟器来模拟发送端和接收端。

6.6.2 测试用例的设计与执行

设计测试用例包括正常情况、异常情况以及边界条件，以全面测试接收器的鲁棒性。

6.6.3 问题诊断与调试策略

问题诊断涉及对错误数据进行追踪和分析，调试策略需要根据诊断结果来确定。