【【UART 传输数据实验】】
UART 传输数据实验
通信方式在日常的应用中一般分为串行通信（serial communication）和并行通信（parallel communication）。
我们再来了解下串行通信的特点。串行通信是指数据在一条数据线上，一比特接一比特地按顺序传送的方式，这一点与并行通信是不同的。这里我们以传输一个字节（8 位）数据为例，在并行通信中，一个字节的数据是在 8 条并行传输线上同时由源地传送到目的地；而在串行通信中，因为数据是在一条传输线上一位接一位地顺序传送的，所以一个字节的数据要分 8 次进行传送。
如果我们以 T 为一个时间单位的话，那么并行通信发送一个字节的数据只需要 1T 的时间，而串行通信需要 8T 的时间，由此可以总结出串行通信的的特点：一是节省传输线，大大降低了使用成本，二是数据传送速度慢，这一点在大位宽的数据传输上尤为明显。综上可知，串行通信主要应用于长距离、低速率的通信场合。本次实验我们主要讲解下串行通信。
串行通信一般有 2 种通信方式：同步串行通信（synchronized serial communication）和异步串行通信（asynchronous serial communication）。同步串行通信需要通信双方在同一时钟的控制下同步传输数据；异步串行通信是指具有不规则数据段传送特性的串行数据传输。在常见的通信总线协议中，I2C，SPI 属于同步通信而 UART 属于异步通信。同步通信的通信双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率，收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。异步通信在发送字符时，发送端可以在任意时刻开始发送字符，所以，在 UART 通信中，数据起始位和停止位是必不可少的。
UART 是一种采用异步串行通信方式的通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver-transmitter），它在发送数据时将并行数据转换成串行数据来传输，在接收数据时将接收到的串行数据转换成并行数据。
UART 串口通信需要两根信号线来实现，一根用于串口发送，另外一根负责串口接收，如下图所示。对于 PC 来说它的 TX 要和对于 FPGA 来说的 RX 连接，同样 PC 的 RX 要和 FPGA 的 TX 连接，如果是两个TX 或者两个 RX 连接那数据就不能正常被发送出去或者接收到，所以这里大家不要弄混。
UART 在发送或接收过程中的一帧数据由 4 部分组成，起始位、数据位、奇偶校验位和停止位
起始位： 当不传输数据时，UART 数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输，发送 UART 会将传输线从高电平拉到低电平并保持 1 个波特率周期。当接收 UART 检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。
数据帧： 数据帧包含所传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，数据帧长度可以是 5 位到 8 位。如果不使用奇偶校验位，数据帧长度可以是 9 位。在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送。
奇偶校验： 奇偶性描述数字是偶数还是奇数。通过奇偶校验位，接收 UART 判断传输期间是否有数据发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。接收 UART 读取数据帧后，将计数值为 1 的位，检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为 0（偶数奇偶校验），则数据帧中的 1 或逻辑高位总计应为偶数。如果奇偶校验位为 1（奇数奇偶校验），则数据帧中的 1 或逻辑高位总计应为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，UART 认为传输未出错。但是，如果奇偶校验位为 0，而总和为奇数，或者奇偶校验位为 1，而总和为偶数，则 UART 认为数据帧中的位已改变。
停止位： 为了表示数据包结束，发送 UART 将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持 1 到 2 位时间。
UART 通信过程中的数据格式及传输速率是可设置的，为了正确的通信，收发双方应约定并遵循同样的设置。数据位可选择为 5、6、7、8 位，其中 8 位数据位是最常用的，在实际应用中一般都选择 8 位数据位；校验位可选择奇校验、偶校验或者无校验位；停止位可选择 1 位（默认），1.5 或 2 位。串口通信的速率用波特率表示，它表示每秒传输二进制数据的位数，单位是 bps（位/秒），常用的波特率有 9600、19200、38400、57600 以及 115200 等。
那么什么是波特率呢？波特率：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)。在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫作码元（因为串口是 1bit 进行传输的，所以其码元就代表一个二进制数），每秒通过信号传输的码元数称为码元的传输速率，简称“波特率”，常用符号“Baud”表示，其单位为“波特每秒”（Bps）。串口常见的波特率有 4800、9600、115200 等，此处我们选用 115200 的波特率进行讲解。通信信道每秒传输的信息量称为位传输速率，简称“比特率”，其单位为“每秒比特数”（bps）。比特率可由波特率计算得出，公式为比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数。如果使用的是 115200 的波特率，其串口的比特率为 115200Bps×1bit = 115200bps，由计算得串口发送或者接收 1bit 数据的时间为一个波特，即 1/115200s。
在设置好数据格式及传输速率之后，UART 负责完成数据的串并转换，而信号的传输则由外部驱动电路实现。电信号的传输过程有着不同的电平标准和接口规范，针对异步串行通信的接口标准有 RS232、RS422、RS485 等，它们定义了接口不同的电气特性，如 RS-232 是单端输入输出，而 RS-422/485 为差分输入输出等。RS-232 标准的串口最常见的接口类型为 DB9。
现在来说 对于这样的 大的接口 DB9 来说 现在并不实用 我们用的更多的是 USB的形式 通过 USB 在电脑上 装入USB转串口协议 完成实现功能
实验任务：
本节实验任务是上位机通过串口调试助手发送数据给领航者开发板，领航者开发板 PL 端通过USB_UART 串口接收数据并将接收到的数据发送给上位机，完成串口数据环回。
下面是 发送端的 波形图
top.v
module uart_loopback(
input sys_clk , //外部50MHz时钟
input sys_rst_n, //系外部复位信号，低有效
//UART端口
input uart_rxd , //UART接收端口
output uart_txd //UART发送端口
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //定义系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200 ; //定义串口波特率
//wire define
wire uart_rx_done; //UART接收完成信号
wire [7:0] uart_rx_data; //UART接收数据
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//串口接收模块
uart_rx #(
.CLK_FREQ (CLK_FREQ),
.UART_BPS (UART_BPS)
)
u_uart_rx(
.clk (sys_clk ),
.rst_n (sys_rst_n ),
.uart_rxd (uart_rxd ),
.uart_rx_done (uart_rx_done),
.uart_rx_data (uart_rx_data)
);
//串口发送模块
uart_tx #(
.CLK_FREQ (CLK_FREQ),
.UART_BPS (UART_BPS)
)
u_uart_tx(
.clk (sys_clk ),
.rst_n (sys_rst_n ),
.uart_tx_en (uart_rx_done),
.uart_tx_data (uart_rx_data),
.uart_txd (uart_txd ),
.uart_tx_busy ( )
);
endmodule
uart_rx.v
module uart_rx(
input clk , //系统时钟
input rst_n , //系统复位，低有效
input uart_rxd , //UART接收端口
output reg uart_rx_done, //UART接收完成信号
output reg [7:0] uart_rx_data //UART接收到的数据
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200 ; //串口波特率
localparam BAUD_CNT_MAX = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg uart_rxd_d0;
reg uart_rxd_d1;
reg uart_rxd_d2;
reg rx_flag ; //接收过程标志信号
reg [3:0 ] rx_cnt ; //接收数据计数器
reg [15:0] baud_cnt ; //波特率计数器
reg [7:0 ] rx_data_t ; //接收数据寄存器
//wire define
wire start_en;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//捕获接收端口下降沿(起始位)，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign start_en = uart_rxd_d2 & (~uart_rxd_d1) & (~rx_flag);
//针对异步信号的同步处理
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
uart_rxd_d0 <= 1'b0;
uart_rxd_d1 <= 1'b0;
uart_rxd_d2 <= 1'b0;
end
else begin
uart_rxd_d0 <= uart_rxd;
uart_rxd_d1 <= uart_rxd_d0;
uart_rxd_d2 <= uart_rxd_d1;
end
end
//给接收标志赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
rx_flag <= 1'b0;
else if(start_en) //检测到起始位
rx_flag <= 1'b1; //接收过程中，标志信号rx_flag拉高
//在停止位一半的时候，即接收过程结束，标志信号rx_flag拉低
else if((rx_cnt == 4'd9) && (baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1'b1))
rx_flag <= 1'b0;
else
rx_flag <= rx_flag;
end
//波特率的计数器赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
baud_cnt <= 16'd0;
else if(rx_flag) begin //处于接收过程时，波特率计数器（baud_cnt）进行循环计数
if(baud_cnt < BAUD_CNT_MAX - 1'b1)
baud_cnt <= baud_cnt + 16'b1;
else
baud_cnt <= 16'd0; //计数达到一个波特率周期后清零
end
else
baud_cnt <= 16'd0; //接收过程结束时计数器清零
end
//对接收数据计数器（rx_cnt）进行赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
rx_cnt <= 4'd0;
else if(rx_flag) begin //处于接收过程时rx_cnt才进行计数
if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1'b1) //当波特率计数器计数到一个波特率周期时
rx_cnt <= rx_cnt + 1'b1; //接收数据计数器加1
else
rx_cnt <= rx_cnt;
end
else
rx_cnt <= 4'd0; //接收过程结束时计数器清零
end
//根据rx_cnt来寄存rxd端口的数据
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
rx_data_t <= 8'b0;
else if(rx_flag) begin //系统处于接收过程时
if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1'b1) begin //判断baud_cnt是否计数到数据位的中间
case(rx_cnt)
4'd1 : rx_data_t[0] <= uart_rxd_d2; //寄存数据的最低位
4'd2 : rx_data_t[1] <= uart_rxd_d2;
4'd3 : rx_data_t[2] <= uart_rxd_d2;
4'd4 : rx_data_t[3] <= uart_rxd_d2;
4'd5 : rx_data_t[4] <= uart_rxd_d2;
4'd6 : rx_data_t[5] <= uart_rxd_d2;
4'd7 : rx_data_t[6] <= uart_rxd_d2;
4'd8 : rx_data_t[7] <= uart_rxd_d2; //寄存数据的高低位
default : ;
endcase
end
else
rx_data_t <= rx_data_t;
end
else
rx_data_t <= 8'b0;
end
//给接收完成信号和接收到的数据赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
uart_rx_done <= 1'b0;
uart_rx_data <= 8'b0;
end
//当接收数据计数器计数到停止位，且baud_cnt计数到停止位的中间时
else if(rx_cnt == 4'd9 && baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1'b1) begin
uart_rx_done <= 1'b1 ; //拉高接收完成信号
uart_rx_data <= rx_data_t; //并对UART接收到的数据进行赋值
end
else begin
uart_rx_done <= 1'b0;
uart_rx_data <= uart_rx_data;
end
end
endmodule
uart_tx.v
module uart_tx(
input clk , //系统时钟
input rst_n , //系统复位，低有效
input uart_tx_en , //UART的发送使能
input [7:0] uart_tx_data, //UART要发送的数据
output reg uart_txd , //UART发送端口
output reg uart_tx_busy //发送忙状态信号
);
//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000; //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200 ; //串口波特率
localparam BAUD_CNT_MAX = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，对系统时钟计数BPS_CNT次
//reg define
reg [7:0] tx_data_t; //发送数据寄存器
reg [3:0] tx_cnt ; //发送数据计数器
reg [15:0] baud_cnt ; //波特率计数器
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//当uart_tx_en为高时，寄存输入的并行数据，并拉高BUSY信号
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
tx_data_t <= 8'b0;
uart_tx_busy <= 1'b0;
end
//发送使能时，寄存要发送的数据，并拉高BUSY信号
else if(uart_tx_en) begin
tx_data_t <= uart_tx_data;
uart_tx_busy <= 1'b1;
end
//当计数到停止位结束时，停止发送过程
else if(tx_cnt == 4'd9 && baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - BAUD_CNT_MAX/4) begin
tx_data_t <= 8'b0; //清空发送数据寄存器
uart_tx_busy <= 1'b0; //并拉低BUSY信号
end
else begin
tx_data_t <= tx_data_t;
uart_tx_busy <= uart_tx_busy;
end
end
//波特率的计数器赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
baud_cnt <= 16'd0;
//当处于发送过程时，波特率计数器（baud_cnt）进行循环计数
else if(uart_tx_busy) begin
if(baud_cnt < BAUD_CNT_MAX - 1'b1)
baud_cnt <= baud_cnt + 16'b1;
else
baud_cnt <= 16'd0; //计数达到一个波特率周期后清零
end
else
baud_cnt <= 16'd0; //发送过程结束时计数器清零
end
//tx_cnt进行赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
tx_cnt <= 4'd0;
else if(uart_tx_busy) begin //处于发送过程时tx_cnt才进行计数
if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1'b1) //当波特率计数器计数到一个波特率周期时
tx_cnt <= tx_cnt + 1'b1; //发送数据计数器加1
else
tx_cnt <= tx_cnt;
end
else
tx_cnt <= 4'd0; //发送过程结束时计数器清零
end
//根据tx_cnt来给uart发送端口赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
uart_txd <= 1'b1;
else if(uart_tx_busy) begin
case(tx_cnt)
4'd0 : uart_txd <= 1'b0 ; //起始位
4'd1 : uart_txd <= tx_data_t[0]; //数据位最低位
4'd2 : uart_txd <= tx_data_t[1];
4'd3 : uart_txd <= tx_data_t[2];
4'd4 : uart_txd <= tx_data_t[3];
4'd5 : uart_txd <= tx_data_t[4];
4'd6 : uart_txd <= tx_data_t[5];
4'd7 : uart_txd <= tx_data_t[6];
4'd8 : uart_txd <= tx_data_t[7]; //数据位最高位
4'd9 : uart_txd <= 1'b1 ; //停止位
default : uart_txd <= 1'b1;
endcase
end
else
uart_txd <= 1'b1; //空闲时发送端口为高电平
end
endmodule
README.md
在 tx端的 36行 我们把显示出来 时序提前 四分之一
正点原子做了提前了 16分之一 我在实现的时候 传输的数据一直对不上
else if(tx_cnt == 4'd9 && baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - BAUD_CNT_MAX/4) begin
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