一、UART串口通信

一、基本概念

串口是串行接口（serial port）的简称，也称为串行通信接口或COM接口。
串口通信是指采用串行通信协议（serial communication）在一条信号线上将数据一个比特一个比特地逐位进行传输的通信模式。
串口按电气标准及协议来划分，包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

RS-232-C、RS-422、RS485的区别

二、串口数据

1. 起始位：0
2. 数据位：可以是6/7/8位数据
3. 奇偶校验位(可有可无)：奇偶校验就是相对于数据里的1来说，如果是奇校验，有奇数个1就是在奇偶校验位是0，否则奇偶校验位是1，如果是偶校验，有奇数个1就是在奇偶校验位是1，否则奇偶校验位是0，总的来说，奇校验就是看数据位里的加上奇偶校验位（一共9位）是否是奇数，偶校验反之。
4. 结束位：1
   

三、了解波特率

波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数，是衡量数据传送速率的指标。
我们常常使用的是RS-232-C，RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。

二、串口UART思路设计

其实串口算是一个较简单的协议了，不需要有状态机，只需要有2个计数器就可以搞定，1个是波特率计数器，用来何时收发数据，1个是bit计数，顾名思义记串口的数据bit的，串口分为2个模块，1个是接收模块，1个是发送模块

1. 接收模块
   在波特率中间稳定的时候去采集数据，第一位为起始位，是0，所以检测到下降沿，给一个标志就可以采集数据位了，最后串并转换。
2. 发送模块
   从上位机发来的数据，然后最后串并转换的时候在头部加上起始位，在尾部加上结束位即可。

三 、代码部分

这部分我自己写的，如果有问题，请及时通知我。
代码注解比较详细吧。

一、串口接收模块

// 串口接收模块
module uart_rx(
    input           clk,
    input           rst_n,
    input           baud_sel,// 波特率的选择
    input           din,// 串口接收模块接收到主机来的1bit的数据
    output  [7:0]   dout,// 串口接收模块串并转换的数据发送
    output          dout_vld
);

parameter   SCLK = 50_000_000;// 50MHZ系统时钟

localparam  BAUD_9600 = SCLK/9600,// 9600HZ波特率周期
            BAUD_115200 = SCLK/115200;// 115200HZ波特率周期

// 波特率计数器
reg     [12:0]      cnt_baud;
wire                add_cnt_baud;
wire                end_cnt_baud;      

reg     [12:0]      baud;

// bit计数器
reg     [3:0]       cnt_bit;
wire                add_cnt_bit;
wire                end_cnt_bit;

// 对输入的1bit数据打拍
// 因为开始位是0,,停止位是1
reg                 din_r0;
reg                 din_r1;
// 检测到下降沿开始输入接收
wire                din_nedge;
// 检测到下降沿的标志
reg                 din_nedge_flag;

// 寄存串并转换的接收到的数据9位开始位+停止位+数据8位
reg     [9:0]       rx_data;
reg                 rx_data_vld;

// 波特率计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
   if(!rst_n)begin
        cnt_baud <= 0;
    end 
    else if(add_cnt_baud)begin 
            if(end_cnt_baud)begin 
                cnt_baud <= 0;
            end
            else begin 
                cnt_baud <= cnt_baud + 1;
            end 
    end
   else  begin
       cnt_baud <= cnt_baud;
    end
end 

assign add_cnt_baud = din_nedge_flag;
assign end_cnt_baud = add_cnt_baud && cnt_baud == baud - 1;

// bit计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
   if(!rst_n)begin
        cnt_bit <= 0;
    end 
    else if(add_cnt_bit)begin 
            if(end_cnt_bit)begin 
                cnt_bit <= 0;
            end
            else begin 
                cnt_bit <= cnt_bit + 1;
            end 
    end
   else  begin
       cnt_bit <= cnt_bit;
    end
end 

assign add_cnt_bit = end_cnt_baud;
assign end_cnt_bit = add_cnt_bit && cnt_bit == 10 - 1;

// 波特率的选择9600 115200
always @(*)begin 
    case(baud_sel)
    0   :   baud = BAUD_9600;
    1   :   baud = BAUD_115200;
    default : baud = BAUD_9600;
    endcase
end

// 同步打拍
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)begin
        din_r0 <= 0;
        din_r1 <= 0;
    end 
    else begin 
        din_r0 <= din;
        din_r1 <= din_r0;
    end 
end
// 下降沿检测
assign din_nedge = ~din_r0 & din_r1;

// 下降沿检测标志
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)begin
        din_nedge_flag <= 0;
    end 
    else if(din_nedge)begin 
        din_nedge_flag <= 1'b1;
    end 
    else if(end_cnt_bit)begin
        din_nedge_flag <= 1'b0;
    end
end

// 在波特率中间取稳定的值
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)begin
        rx_data <= 0;
    end 
    else if(add_cnt_baud && cnt_baud == (baud >> 1) - 1)begin 
        rx_data[cnt_bit] <= din;
    end 
end

assign dout = rx_data[8:1];

// 数据有效
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)begin
        rx_data_vld <= 0;
    end 
    else if(end_cnt_bit)begin 
        rx_data_vld <= 1;
    end
    else begin
        rx_data_vld <= 1'b0;
    end
end

assign dout_vld = rx_data_vld;
endmodule

二、串口发送模块

module uart_tx(
    input           clk,
    input           rst_n,
    input           baud_sel,// 波特率的选择
    input   [7:0]   din,// 串并转换的数据
    input           din_vld,// 串并转换的数据有效
    output          dout,// 发送模块发送的1bit数据
    output          busy // 发送模块忙标志
);

parameter   SCLK = 50_000_000;// 50MHZ系统时钟

localparam  BAUD_9600 = SCLK/9600,// 9600HZ波特率周期
            BAUD_115200 = SCLK/115200;// 115200HZ波特率周期

// 波特率计数器
reg     [12:0]      cnt_baud;
wire                add_cnt_baud;
wire                end_cnt_baud;      

reg     [12:0]      baud;

// bit计数器
reg     [3:0]       cnt_bit;
wire                add_cnt_bit;
wire                end_cnt_bit;

// 寄存发送模块接收的数据有效
reg                 rx_data_vld_flag;
// 寄存要发送的数据
reg     [9:0]       tx_data;
// 波特率计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
   if(!rst_n)begin
        cnt_baud <= 0;
    end 
    else if(add_cnt_baud)begin 
            if(end_cnt_baud)begin 
                cnt_baud <= 0;
            end
            else begin 
                cnt_baud <= cnt_baud + 1;
            end 
    end
   else  begin
       cnt_baud <= cnt_baud;
    end
end 

assign add_cnt_baud = rx_data_vld_flag;
assign end_cnt_baud = add_cnt_baud && cnt_baud == baud - 1;

// bit计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
   if(!rst_n)begin
        cnt_bit <= 0;
    end 
    else if(add_cnt_bit)begin 
            if(end_cnt_bit)begin 
                cnt_bit <= 0;
            end
            else begin 
                cnt_bit <= cnt_bit + 1;
            end 
    end
   else  begin
       cnt_bit <= cnt_bit;
    end
end 

assign add_cnt_bit = end_cnt_baud;
assign end_cnt_bit = add_cnt_bit && cnt_bit == 10 - 1;

// 波特率的选择9600 115200
always @(*)begin 
    case(baud_sel)
    0   :   baud = BAUD_9600;
    1   :   baud = BAUD_115200;
    default : baud = BAUD_9600;
    endcase
end

// 数据有效的标志
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)begin
        rx_data_vld_flag <= 0;
    end 
    else if(din_vld)begin 
        rx_data_vld_flag <= 1'b1;
    end 
    else if(end_cnt_bit)begin 
        rx_data_vld_flag <= 1'b0;
    end 
end

// 数据有效添加开始位和停止位
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)begin
        tx_data <= 0;
    end 
    else if(din_vld)begin 
        tx_data <= {1'b1,din,1'b0};
    end 
end

// 数据有效标志1bit数据发送，之后都发高位，不能发低位
assign dout = rx_data_vld_flag?tx_data[cnt_bit]:1'b1;
// 这个busy有待商榷
assign busy = rx_data_vld_flag;
endmodule

四、串口回环实验

任务要求
FPGA 与上位机通过串口通信，完成数据环回；
波特率可调，即可以选择 115200、57600、38400 等；
使用 FIFO 作为数据缓存单元

系统框图

难的不是串口接收发送模块，难的是串口控制的fifo，对于fifo的使用我还不太熟悉，fifo的读写请求和数据要一致，还有fifo的前显模式和正常模式。
串口控制模块

// 串口控制模块
module uart_ctrl(
    input           clk,
    input           rst_n,
    input   [7:0]   din,// 接收模块8位数据
    input           din_vld,// 接收模块8位数据的
    input           busy,
    output  [7:0]   dout,
    output          dout_vld
);

wire            rdreq;
wire            wrreq;
wire            empty;
wire            full ;
wire   [7:0]    q_out;
wire   [4:0]    usedw;
// 用fifo缓存数据，来控制读写
fifo	fifo_inst (
	.aclr   ( ~rst_n    ),
	.clock  ( clk       ),
	.data   ( din       ),
	.rdreq  ( rdreq     ),
	.wrreq  ( wrreq     ),
	.empty  ( empty     ),
	.full   ( full      ),
	.q      ( q_out     ),
	.usedw  ( usedw     )
	);

// 写使能，写进fifo
assign wrreq = ~full && din_vld;
// 读使能，从fifo读出来
assign rdreq = ~empty && ~busy && (usedw == 2);
assign dout = q_out;
assign dout_vld = rdreq;

endmodule

顶层

module top(
    input           clk,
    input           rst_n,
    input           uart_rx,
    output          uart_tx
);
             
wire    [7:0]       rx_data;
wire                rx_data_vld;
wire                busy;
wire    [7:0]       tx_data;
wire                tx_data_vld;

// 串口接收模块
uart_rx u_uart_rx(
    /* input            */.clk      (clk     ),
    /* input            */.rst_n    (rst_n   ),
    /* input            */.baud_sel (0),// 波特率的选择
    /* input            */.din      (uart_rx     ),// 串口接收模块接收到主机来的1bit的数据
    /* output  [7:0]    */.dout     (rx_data    ),// 串口接收模块串并转换的数据发送
    /* output           */.dout_vld (rx_data_vld)
);

// 串口控制模块
uart_ctrl u_uart_ctrl(
    /* input            */.clk      (clk     ),
    /* input            */.rst_n    (rst_n   ),
    /* input   [7:0]    */.din      (rx_data     ),// 接收模块8位数据
    /* input            */.din_vld  (rx_data_vld ),// 接收模块8位数据的
    /* input            */.busy     (busy    ),
    /* output  [7:0]    */.dout     (tx_data    ),
    /* output           */.dout_vld (tx_data_vld)
);

// 串口发送模块
uart_tx u_uart_tx(
    /* input            */.clk      (clk     ),
    /* input            */.rst_n    (rst_n   ),
    /* input            */.baud_sel (0),// 波特率的选择
    /* input   [7:0]    */.din      (tx_data     ),// 串并转换的数据
    /* input            */.din_vld  (tx_data_vld ),// 串并转换的数据有效
    /* output           */.dout     (uart_tx    ),// 发送模块发送的1bit数据
    /* output           */.busy     (busy    ) // 发送模块忙标志
);
endmodule

串口接收发送模块同上

五、仿真验证

fifo就是队列，先进先出，我这里设了数据量深度为2个数据出现数据
顶层仿真

串口发送模块仿真

串口发送模块仿真

串口控制模块仿真

六、上板验证

七、总结

串口通信算是最最最基础的通信协议了，虽然我也当时写不出来，但是后来仔细研究，串口不难，难的是fifo。
以后再写一篇关于fifo的使用。