FPGA与STM32的UART通信设计与实现

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简介：UART是一种广泛应用于嵌入式系统中的串行通信接口，本项目主要使用Verilog语言在FPGA和STM32微控制器之间实现UART协议，涵盖了时钟分频、数据移位、奇偶校验和错误检测等关键步骤。开发者将通过编写Verilog源代码文件、测试平台和顶层模块等，深入理解UART通信机制，并掌握在FPGA硬件中实现通信协议的方法。

1. UART通信接口基础

1.1 UART简介

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）即通用异步收发传输器，是一种广泛应用于微控制器和计算机串行通信的硬件设备。UART允许通过简单的两线（接收RX和发送TX）进行全双工通信，即同时进行数据的发送和接收。

1.2 UART工作原理

UART工作时，它将并行数据转换为串行数据进行发送，并将接收到的串行数据转换回并行格式，以便微控制器处理。该过程涉及到数据帧的构建，包括起始位、数据位、可选的奇偶校验位和停止位。UART通信不依赖于外部的时钟信号，每个字符帧的开始和结束由起始位和停止位标识。

1.3 UART通信优势

UART通信的优点包括硬件需求低、实现简单、成本低廉且易于使用。这使得它成为许多嵌入式系统和微控制器常见的通信方式之一。然而，UART通信速率受到较长距离下信号完整性的影响，且仅适合点对点通信。

在本章中，我们将探索UART通信接口的基础知识，这为后续章节中深入探讨Verilog语言在FPGA中的应用和FPGA与STM32微控制器之间的数据传输打下基础。接下来，我们将深入了解Verilog语言及其在FPGA设计中的具体应用。

2. Verilog语言在FPGA中的应用

2.1 Verilog语言基础

2.1.1 Verilog语法概述

Verilog是一种硬件描述语言（HDL），广泛用于电子系统的设计与仿真，尤其是在FPGA和ASIC的设计中。它允许设计者采用类似于软件编程的文本描述方法来建立电子系统模型。其语法结构类似于C语言，但语法关键字和结构设计为描述硬件功能。

一个简单的Verilog代码示例是描述一个2输入的与门（AND gate）：

module and_gate( input wire a, input wire b, output wire c);assign c = a & b; // 逻辑与操作endmodule

上述代码中 module 定义了一个名为 and_gate 的模块，它有两个输入 a 和 b ，以及一个输出 c 。 assign 语句描述了输出 c 是输入 a 和 b 的逻辑与结果。

2.1.2 设计模块化和代码复用

在Verilog中，模块化设计是通过定义模块并将功能封装起来实现的。这样不仅可以提高代码的可读性，还可以实现代码的复用。

模块的复用是通过 include 语句或者 module 定义来实现的。一个模块可以被其他模块引用，从而实现在多个设计中使用同一模块。例如，可以创建一个通用的模块，例如一个计数器，然后在多个设计中使用它。

module counter( input wire clk, input wire reset, output reg [7:0] count);always @(posedge clk or posedge reset)begin if (reset) count <= 0; else count <= count + 1;endendmodule

上述代码定义了一个简单的上升沿触发的8位计数器模块。这个模块可以被其他Verilog模块通过 include 文件或直接引用的方式复用。

2.2 Verilog在FPGA设计中的高级应用

2.2.1 状态机的设计与实现

状态机在数字电路设计中扮演着重要角色，用于控制和管理复杂逻辑的流程。一个状态机通常由状态寄存器、下一状态逻辑、输出逻辑和时钟信号组成。状态机可以通过Verilog的 always 块或 case 语句来实现。

module state_machine( input wire clk, input wire reset, input wire start, output reg done);typedef enum reg [2:0] { IDLE, INIT, PROCESSING, FINISHED} state_t;reg [2:0] state;always @(posedge clk or posedge reset) begin if (reset) begin state <= IDLE; done <= 0; end else begin case (state) IDLE: begin if (start) state <= INIT; else state <= IDLE; end INIT: state <= PROCESSING; PROCESSING: begin // 执行任务... if (任务完成) state <= FINISHED; end FINISHED: begin done <= 1; state <= IDLE; end default: state <= IDLE; endcase endendendmodule

在上述代码中，定义了一个状态机模块，包含了一个枚举类型的状态寄存器 state_t ，用于表示状态机当前的状态。 always 块在时钟上升沿或复位信号变化时执行。 case 语句根据当前的状态决定下一个状态或输出。

2.2.2 时序逻辑与组合逻辑的应用

在数字逻辑设计中，时序逻辑和组合逻辑是两种基本的逻辑形式。时序逻辑会涉及存储元素如触发器或寄存器，而组合逻辑则完全由组合电路构成，不包含存储元素。

时序逻辑在Verilog中通常通过 always 块和敏感列表来实现，它能够处理时钟和复位信号，形成存储逻辑。

always @(posedge clk or posedge reset) begin if (reset) begin // 复位逻辑 end else begin // 时钟上升沿触发的逻辑 endend

组合逻辑则使用 assign 语句或者 always 块但不包括敏感列表的时钟信号来实现。

always @(*) begin // 无时钟敏感的组合逻辑end

2.2.3 仿真和测试

设计阶段的仿真和测试是验证Verilog代码正确性的重要手段。通常使用仿真软件（例如ModelSim）来执行测试。测试时，通过编写测试激励（testbench）来模拟输入信号，并观察输出信号是否符合预期。

`timescale 1ns / 1psmodule testbench;reg clk;reg reset;reg start;initial begin clk = 0; reset = 1; start = 0; #10; reset = 0; #10; start = 1; #20; start = 0; #30; $stop; // 停止仿真endalways #5 clk = ~clk; // 产生周期为10ns的时钟信号// 实例化被测试模块state_machine uut ( .clk(clk), .reset(reset), .start(start), .done(done));endmodule

上面的测试激励（testbench）通过定义时钟信号、复位信号、开始信号，并在仿真时间线上模拟不同的信号值来测试状态机的行为。通过观察 done 信号，可以验证状态机是否按照预期工作。

本章节已经介绍Verilog的基础知识和在FPGA设计中的一些高级应用。在下一章节中，我们将深入探讨FPGA与STM32微控制器之间的数据传输机制以及如何在硬件层面实现这种通信。

3. FPGA与STM32微控制器之间的数据传输

3.1 数据传输机制

3.1.1 UART协议数据传输流程

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。它允许异步通信，也就是说，两个设备之间的时钟信号无需严格同步，可以在没有共同时钟源的情况下进行数据交换。UART通信依赖于两个基本要素：数据帧和信号线。

数据帧是UART传输的基本单位，它包含起始位、数据位、可选的奇偶校验位、停止位以及有时的帧间间隔。典型的UART通信流程如下：

1. 起始位 ：每一位数据传输前，信号线会先从高电平变为低电平，表示开始传输数据。
2. 数据位 ：接着传输数据位，数据位的数量可以是5位、6位、7位或8位，具体取决于配置。
3. 奇偶校验位 ：可选的一个位，用来进行错误检测。
4. 停止位 ：结束传输的信号，通常是1位、1.5位或2位的高电平。
5. 帧间间隔 ：停止位之后到下一个起始位之间的时间间隔。

UART协议在硬件上仅需要两根信号线：一根用于发送（TX），一根用于接收（RX），这是它的优势之一。除此之外，某些UART还可能使用RTS（Request To Send）和CTS（Clear To Send）进行硬件流控制。

3.1.2 信号的电平标准和接口规范

UART使用的电平标准因系统而异，常见的有：

• TTL电平标准 ：逻辑高电平为+5V（或+3.3V），逻辑低电平为0V。
• RS-232电平标准 ：通常使用±12V电平，电平范围更大，抗干扰能力更强。
• RS-485/422标准 ：采用差分信号传输，传输距离更远，可以达到千米级。

接口规范方面，除了信号线以外，常见的还有地线（GND）作为参考电平。在设计时需要考虑电平转换，特别是当TTL电平的FPGA与RS-232标准的设备通信时。

3.2 FPGA与STM32的硬件连接

3.2.1 FPGA与STM32的接口电路设计

FPGA与STM32微控制器进行数据交换时，需要设计一个合适的接口电路。此电路的核心是实现电平转换以及信号的正确同步。

电路设计需考虑以下几个方面：

• 电平转换 ：如果使用TTL电平的FPGA与RS-232标准的设备通信，需要使用MAX232等电平转换芯片。
• 去抖动处理 ：确保信号的稳定性，需要加入去抖动电路。
• 串口保护 ：在信号线路上加入ESD（静电放电）保护措施，防止静电损坏FPGA或微控制器。
• 收发逻辑控制 ：根据UART协议，FPGA需要根据TX/RX信号线来控制数据的收发。

3.2.2 硬件调试与信号完整性分析

硬件调试是实现FPGA与STM32通信不可或缺的一部分。调试时需要注意以下步骤：

1. 检查电路 ：确保所有连接无误，特别是电源线和地线。
2. 信号追踪 ：使用示波器和逻辑分析仪检查TX和RX信号，验证是否符合UART协议定义的电平和时序。
3. 信号完整性分析 ：检查信号传输过程中的噪声、反射、串扰等信号完整性问题，并进行优化。
4. FPGA配置 ：确保FPGA的引脚配置正确，并且时钟设置能够匹配STM32的通信速率。

为了帮助理解硬件连接和调试过程，下面是一个示例代码块，展示了如何在FPGA中实现与STM32的通信：

// 示例代码块：FPGA的UART接收模块module uart_rx ( input wire clk, // FPGA的时钟信号 input wire rst_n, // 复位信号，低电平有效 input wire rx, // UART接收线 output reg [7:0] data_out, // 接收到的数据 output reg data_valid // 数据接收有效标志);// 波特率发生器和位计数器reg [15:0] counter = 16\'d0;wire bit_sample = (counter == 16\'d8); // 在波特率的中间采样always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin counter <= 16\'d0; data_out <= 8\'d0; data_valid <= 1\'b0; end else begin if (counter == 16\'d5208) begin // 假设115200波特率和50MHz时钟 counter <= 16\'d0; if (bit_sample) begin data_out <= {rx, data_out[7:1]}; // 移位接收数据 data_valid <= 1\'b1; end else begin data_valid <= 1\'b0; end end else begin counter <= counter + 1\'b1; end endendendmodule

此代码段创建了一个简单的UART接收器模块，它使用一个计数器来在时钟信号上升沿采样UART的RX线路，并在接收到8位数据后，通过 data_valid 信号来标识数据已经准备好。为了确保信号的同步和稳定性，在实际设计中，可能还需要添加更复杂的同步机制和信号完整性验证逻辑。

4. UART协议关键参数及FPGA实现步骤

4.1 UART协议关键参数详解

4.1.1 波特率的设定与计算

UART通信中，波特率是决定数据传输速率的关键参数之一，它定义了每秒钟传输的符号数量。在设计FPGA时，正确的计算和设定波特率是至关重要的，因为这直接影响到数据传输的稳定性和准确性。波特率的设定通常与FPGA内部时钟频率和所使用的分频器值有关。

首先，我们需要确定FPGA内部时钟频率（记作Fosc），这是由FPGA开发板上晶振决定的。接着，选择一个合适的波特率（记作BaudRate），通常是一个标准值，例如9600、115200等。然后，根据以下公式计算分频值（记作Prescaler）：

Prescaler = Fosc / (16 * BaudRate)

这个公式的16来源于UART协议中，每个数据位在时钟周期中占用16个时钟周期。假设FPGA的内部时钟为50MHz，我们设定波特率为115200，那么：

Prescaler = 50,000,000 / (16 * 115200) ≈ 26.8

由于分频值不能为小数，我们需要选择最接近的整数值。在这个例子中，我们会选择26或27作为分频值，从而得到实际的波特率，它会略有偏差，但通常会被UART硬件所接受。

4.1.2 数据位、奇偶校验位、帧同步的概念与应用

UART通信的第二个关键参数是数据位的数目。最常见的是8位数据位，但也可以是5位、6位、7位或9位。数据位决定了每个数据包的大小。增加数据位可以传输更多的信息，但也减少了最大传输速率。

第三个参数是奇偶校验位。奇偶校验用于错误检测，可以是无校验位、奇校验或偶校验。在奇校验中，传输的数据和校验位的总和为奇数；在偶校验中，总和为偶数。如果未使用校验位，则为无校验。

最后一个重要的参数是帧同步位，通常包括一个起始位和一个停止位。起始位表示数据包的开始，而停止位用于在数据包之间创建间隔。起始位总是低电平（0），停止位总是高电平（1）。常见的停止位是1位，但也可以是1.5位或2位。

为了在FPGA中实现这些参数，我们通常需要设计一个波特率发生器和一个状态机来控制数据的发送和接收。状态机会根据设定的参数来生成正确的时序，确保数据能够准确地在两个通信设备之间传输。

4.2 FPGA中UART的实现方法

4.2.1 时钟分频技术在UART中的应用

在FPGA中实现UART接口时，时钟分频是不可或缺的步骤，因为通常FPGA板卡的主时钟频率远高于我们想要使用的波特率。时钟分频器的核心作用是将高速时钟分频到低速时钟，以满足UART通信的要求。

以一个50MHz的FPGA主时钟为例，若要实现9600波特率的串口通信，根据前面提到的公式计算，我们可以得到一个分频值。在Verilog中，我们可以使用一个计数器来实现分频功能。以下是一个简单的时钟分频器的实现代码：

module clk_divider( input clk, // 输入时钟信号 input reset, // 复位信号 output reg out_clk // 输出时钟信号);// 假设Prescaler值为26（根据前面的计算）reg [4:0] counter = 5\'d0; // 5位计数器，足以覆盖26的计数范围always @(posedge clk or posedge reset) begin if(reset) begin counter <= 5\'d0; out_clk <= 1\'b0; end else begin if(counter == 5\'d26 - 1) begin counter <= 5\'d0; out_clk <= ~out_clk; // 翻转输出时钟信号 end else begin counter <= counter + 1\'b1; end endendendmodule

在这个例子中， clk_divider 模块接受一个输入时钟 clk 和一个复位信号 reset 。每当时钟上升沿到来时，计数器 counter 会增加，当计数器达到预设的分频值 Prescaler 时，输出时钟 out_clk 会翻转。 out_clk 是分频后的时钟信号，可以用作UART模块的时钟源。

4.2.2 数据移位寄存器的实现

数据移位寄存器是UART接口中用于串行数据传输的核心组件。它负责将并行数据转换为串行数据，并反之亦然。在发送数据时，数据移位寄存器将并行数据位依次输出；在接收数据时，它将串行接收到的数据位依次装入。

以下是一个简单的并行到串行数据移位寄存器的Verilog实现示例：

module shift_register( input clk,  // 时钟信号 input reset, // 复位信号 input [7:0] parallel_in, // 8位并行数据输入 input load, // 加载数据到寄存器的信号 output reg serial_out // 串行数据输出);reg [7:0] shift_reg = 8\'d0; // 8位数据移位寄存器always @(posedge clk or posedge reset) begin if(reset) begin shift_reg <= 8\'d0; serial_out <= 1\'b0; end else if(load) begin shift_reg <= parallel_in; end else begin serial_out <= shift_reg[7]; shift_reg <= shift_reg << 1; // 左移数据 endendendmodule

在这个 shift_register 模块中，我们定义了一个8位的移位寄存器 shift_reg 。每当 load 信号有效时，8位并行输入 parallel_in 会被加载到寄存器中。在每个时钟周期，最高位数据被输出到 serial_out ，而寄存器内容左移一位以准备下一个数据位的输出。

4.2.3 奇偶校验逻辑和错误检测机制

在UART通信中，为了提高数据传输的可靠性，奇偶校验位被广泛使用。奇偶校验位可以是奇校验，也可以是偶校验。在奇校验中，确保数据位和校验位的总数是奇数；在偶校验中，确保总数是偶数。如果协议中不包含校验位，则不执行任何校验操作。

以下是一个简单的奇偶校验生成器的Verilog实现：

module parity_generator( input [7:0] data_in, // 输入数据 input enable,  // 校验使能 output reg parity_bit // 奇偶校验位);always @(*) begin if(enable) begin // 计算奇校验位 parity_bit = ^(data_in); end else begin parity_bit = 1\'b0; // 如果不使能，则校验位为0 endendendmodule

在这个模块中， parity_generator 模块接受8位数据输入 data_in ，并根据使能信号 enable 生成奇偶校验位 parity_bit 。如果使能信号有效，则使用 XOR 运算符( ^ )对所有数据位进行异或运算，以生成校验位。如果数据位加上校验位的总和是偶数，则校验位设为1以确保奇校验。如果没有启用校验，校验位将保持为0。

为了进行错误检测，接收方需要有一个相应的奇偶校验检查器，以确保接收到的数据与预期的奇偶性相符合。如果校验失败，接收方通常会标记该数据包无效，需要重新发送。

通过这种方式，UART协议在FPGA实现中包含了关键参数的设计以及相应的硬件逻辑，以确保数据能够可靠地在两个设备间进行串行通信。

5. STM32内建UART外设的配置与应用

5.1 STM32的UART外设架构

STM32微控制器的通用异步收发传输器（UART）是一种广泛使用的串行通信接口，它支持全双工异步串行通信。在进行UART通信之前，正确配置UART外设架构是至关重要的。STM32的UART外设由多个寄存器组成，这些寄存器负责设置波特率、数据位、校验位等。

5.1.1 UART外设的寄存器配置

在STM32微控制器中，配置UART首先涉及对以下几个核心寄存器的操作：

• 波特率寄存器（BRR） ：控制传输速率。波特率是串行通信中最重要的参数之一，它决定了数据传输的速度。
• 控制寄存器1（CR1） ：用于控制UART的主要功能，如使能接收器/发送器、错误检测等。
• 状态寄存器（SR） ：用于监控UART的当前状态，例如是否已经接收到数据、是否存在帧错误等。

以下是配置STM32的UART外设的基础代码片段：

/* 假设使用STM32 HAL库 */UART_HandleTypeDef huart2;/* 初始化UART配置结构体 */huart2.Instance = USART2;huart2.Init.BaudRate = 9600; // 设置波特率为9600huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; // 设置数据位为8位huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; // 设置停止位为1位huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; // 不使用奇偶校验huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; // 设置为发送和接收模式huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 不使用硬件流控制huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; // 16倍过采样/* 初始化UART外设 */HAL_UART_Init(&huart2);

5.1.2 中断管理与DMA传输

在数据传输过程中，通常会使用中断来处理接收到的数据或发送缓冲区的状态。STM32支持通过UART触发中断，以便在接收到数据时及时进行处理。

/* 使能UART中断接收 */HAL_UART_Receive_IT(&huart2, received_data_buffer, BUFFER_SIZE);

此外，直接内存访问（DMA）提供了从内存到外设的数据传输方式，能够减少CPU的介入，提高数据传输效率。

/* 配置DMA传输 */DMA_HandleTypeDef hdma_usart2_rx;hdma_usart2_rx.Instance = DMA1_Channel6;hdma_usart2_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;hdma_usart2_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;hdma_usart2_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;hdma_usart2_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;hdma_usart2_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;hdma_usart2_rx.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;hdma_usart2_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;HAL_DMA_Init(&hdma_usart2_rx);

5.2 STM32 UART编程实践

5.2.1 串口通信的初始化与配置

在STM32中，初始化和配置UART通常涉及以下步骤：

1. 使能UART时钟 ：在系统配置中使能对应UART接口的时钟。
2. 配置GPIO引脚 ：将用于UART通信的引脚配置为复用功能。
3. 初始化UART外设 ：如前面代码所示，通过设置寄存器配置UART参数。

5.2.2 数据发送与接收的实现

发送和接收数据是UART通信的主要内容。数据发送可以通过调用HAL库函数 HAL_UART_Transmit 完成。

uint8_t data_to_send[] = \"Hello, UART!\";HAL_UART_Transmit(&huart2, data_to_send, sizeof(data_to_send), 1000);

接收数据时，可以使用中断方式，也可以使用轮询方式。使用中断方式接收数据时，需要实现一个中断处理函数，例如 HAL_UART_RxCpltCallback 。

/* UART接收完成回调函数 */void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){ if(huart->Instance == USART2) { // 数据接收完成，可以处理接收到的数据 }}/* 开始接收数据 */HAL_UART_Receive_IT(&huart2, received_data_buffer, BUFFER_SIZE);

通过这种方式，STM32的UART外设就能在项目中高效地执行数据的发送和接收任务。在实际应用中，根据具体需求，还可能需要实现更复杂的功能，比如数据校验、通信协议封装等。

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简介：UART是一种广泛应用于嵌入式系统中的串行通信接口，本项目主要使用Verilog语言在FPGA和STM32微控制器之间实现UART协议，涵盖了时钟分频、数据移位、奇偶校验和错误检测等关键步骤。开发者将通过编写Verilog源代码文件、测试平台和顶层模块等，深入理解UART通信机制，并掌握在FPGA硬件中实现通信协议的方法。

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