FPGA入门基础之UART串口通信设计

UART（通用异步收发器）串口通信是FPGA设计中常见的通信方式之一。本文将介绍FPGA入门基础中的UART串口通信设计，并附上相应的代码示例。

一、UART串口通信概述

UART串口通信是一种异步串行通信方式，通过一对传输线（TX和RX）实现数据的双向传输。在UART通信中，数据以字节为单位进行传输，每个字节由起始位、数据位、校验位和停止位组成。起始位为低电平，用于标识一个字节的开始；数据位通常为8位，表示实际传输的数据；校验位用于数据校验，可以选择奇校验、偶校验或无校验；停止位为高电平，用于标识一个字节的结束。

二、FPGA中的UART串口通信设计

在FPGA中实现UART串口通信，我们需要设计发送模块和接收模块。下面将分别介绍这两个模块的设计过程。

1. 发送模块设计

发送模块的主要任务是将FPGA内部的数据以UART格式发送出去。设计步骤如下：

（1）配置串行通信参数：确定波特率、数据位、校验位和停止位等参数。

（2）设计数据缓冲区：使用FPGA内部的Block RAM或FIFO（先进先出）缓冲区来存储要发送的数据。

（3）生成波特率时钟：根据配置的波特率，使用FPGA内部的计数器和时钟分频器生成相应的时钟信号。

（4）串行化数据：从数据缓冲区中读取数据，并按照UART格式将其转换为串行比特流。

（5）发送数据：将串行比特流通过TX线发送出去。

以下是发送模块的部分伪代码示例：

verilog复制代码

// 伪代码，仅用于说明设计思路

// 配置参数

parameter BAUD_RATE = 9600;

parameter DATA_BITS = 8;

parameter STOP_BITS = 1;

// ...（其他参数配置）

// 波特率时钟生成

// ...（使用计数器和时钟分频器生成波特率时钟）

// 数据发送

always @(posedge uart_tx_clk) begin

if (start_bit) begin

// 发送起始位

tx_line <= 0;

// ...（等待一个波特率时钟周期）

start_bit <= 0; // 清除起始位标志

end else if (data_index < DATA_BITS) begin

// 发送数据位

tx_line <= data_buffer[data_index];

// ...（等待一个波特率时钟周期）

data_index <= data_index + 1;

end else if (parity_enable) begin

// 发送校验位（如果启用）

// ...（计算校验位并发送）

end else begin

// 发送停止位

tx_line <= 1;

// ...（等待停止位时间）

// 发送完成处理（如重置计数器、标志位等）

end

end

2. 接收模块设计

接收模块的主要任务是从RX线接收UART格式的数据，并将其转换为FPGA内部可处理的数据格式。设计步骤与发送模块类似，但需要考虑数据的同步和校验等问题。以下是接收模块的部分伪代码示例：

verilog复制代码

// 伪代码，仅用于说明设计思路

// ...（配置参数、生成波特率时钟等步骤与发送模块相同）

// 数据接收

always @(posedge uart_rx_clk) begin

if (sync_detected) begin

// 检测到同步信号（起始位）

// ...（初始化接收状态机、数据缓冲区等）

end else if (in_data_bit) begin

// 接收数据位

rx_data_buffer[data_index] <= rx_line;

// ...（等待一个波特率时钟周期）

data_index <= data_index + 1;

// 检查是否接收完所有数据位

if (data_index == DATA_BITS) begin

// 接收完成，处理校验位、停止位等

// ...（根据校验位检查结果设置错误标志位）

// ...（处理接收到的数据）

data_index <= 0; // 重置数据位索引

end

end

// ...（处理校验位、停止位等逻辑）

end