孩子都能学会的FPGA：第六课——用计数器实现UART协议的接收模块

chdaj58 · 发表于 2023-11-21 13:41:23

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？注册

x

本帖最后由 chdaj58 于 2023-11-21 13:44 编辑

原创声明：该文是作者的原创，面向对象是FPGA入门者，后续会有进阶的高级教程。宗旨是让每个想做FPGA的人轻松入门，作者不光让大家知其然，还要让大家知其所以然！每个工程作者都搭建了全自动化的仿真环境，只需要双击top_tb.bat文件就可以完成整个的仿真（前提是安装了modelsim），降低了初学者的门槛。如果需要整个工程请加微信15092150280索要即可，不收任何费用，但是仅供参考，不建议大家获得资料后从事一些商业活动！）

有了第五课的uart发送模块，那uart接收模块相对就简单多了。还是需要两个计数器就可以实现，一个计数器用于一次uart传输位数的计数，一个计数器用于uart一位数据宽度的控制，就是波特率的设置。

uart接收模块的计数器和发送模块的计数器功能是完全相同的，那接收模块的设计要点在哪儿？我们知道uart是异步串行通信，就是只有数据线，没有同步时钟线。发送模块有数据就可以发送，那接收模块什么时候接收呢？这时候就能看出来uart起始位的作用了。我们知道，uart的数据线在空闲状态下是高电平，而起始位是低电平，所以FPGA应该时刻监控uart数据线上的状态，如果前一个时刻还是高电平，下一个时刻就是低电平了（暂时不考虑线上有干扰），说明有新的数据要发送过来了，做好接收数据的准备。

判断出来起始位，那后面的数据位，结束位就能顺理成章的能判断出来。每一位用100MHz的时钟可以计数868次，那我们在哪个点从线上取数据呢？发送端是在bandrate_cnt计数为0的时候把数据放到线上，实际生效是在bandrate_cnt计数为1的时候，持续到bandrate_cnt下次计数为0为止。对于接收端，理论来说在bandrate_cnt从0计数到867的每一点都可以，但是bandrate_cnt的计数值在0附近表明线上的信号刚发生了变化，此时从线上取数据可能会取到错误的数据，所以一般在数据最稳定的地方取数据，即bandrate_cnt的计数值是433的时候。

如下所示，与uart发送模块类似，设置了一个接收标志寄存器recv_domain，当有新的数据要接收时拉高，当一次10位的传输完成后拉低；byte_cnt和bandrate_cnt计数器的功能和uart发送模块的完全一样，新增了一个标志信号get_data_point，在计数为433的时候拉高一个时钟周期，用于uart线上数据的采集。

知道了上面的两个设计要点，下面我们来分析一下uart_byte_rx模块的设计。首先输入信号clk和rst_n是时钟和复位。rx_signal是uart线上的信号，dout_vld是接收数据dout的有效指示信号。

增加了一个GET_DATA_CNT的参数，用于指示在波特位的中间位置采集数据，用wire类型的信号get_data_point来指示数据采集点。recv_domain来标志数据采集区域，所有控制信号在recv_domain拉高的区域变化。增加了rx_sync0/rx_sync1/rx_sync2这几个信号，作用有两个，一个对其它时钟域的信号rx_signal进行打拍同步，二是通过打拍实现对rx_signal信号的下降沿进行检测。信号rx_detect用于指示rx_signal信号的下降沿，即uart接收数据的开始。寄存器end_ok用来检测停止位是否正确。

首先对rx_signal信号进行打拍同步，因为rx_signal信号和本模块的clk一般不是同一个时钟域。我们都知道，uart一般都是对外的接口，所以FPGA收到的rx_signal这个信号是同其它芯片发过来的，和FPGA的主时钟clk不是同一个时钟域。这个地方的信号打拍就涉及到不同时钟域的信号同步问题，信号同步的方法后面会有课时专门讲述，这个地方先大体说一下打拍为什么管用。

用一个例子解释一下大家就明白了，假设两趟地铁在站点X可以进行换乘，已知如下的信息：

地铁A每7分钟一趟；

地铁B每5分钟一趟；

同一站点换乘时间是2-5分钟（考虑人流的密度）。

假设你乘坐的地铁A到站的时间是7点3分，而最近的一辆地铁B1的发车时间是7点5分，下一辆地铁B2的发车时间是7点10分，再下一辆地铁B3的发车时间是7点15分，然后地铁B4的发车时间是7点20分，那就可以分析一下，你直接去赶地铁，有可能赶上地铁B1（人流量小的时候），也有可能赶不上地铁B1（人流量大的时候），但是不出意外的话一般可以赶上地铁B2。

但是你朋友是坐的地铁A是7点10分到站点X，他提前打电话让你等他一块去做地铁B，这样你和朋友一定赶不上地铁B2，不出意外可以赶上地铁B3，但是一定可以赶上B4。

所以信号的寄存器打拍就和地铁换乘一样，打拍越多，留给信号的处理时间裕量就越大，同步也就越好，但是花的时间也就越多。一般而言，打两到三拍能解决绝大多数的同步问题。rx_detect是采样rx_signal信号的下降沿，也就是上一个时刻是高电平，当前时刻是低电平，这就是下降沿。

接收标志寄存器recv_domain，有新的数据要接收时拉高，一次uart传输完成拉低，有这个信号的好处是其它的控制信号都在recv_domain高电平的时候变化，在recv_domain低电平的时候清零或者默认值即可。

下面是两个计数器的实现，与uart发送模块的计数器实现方式完全一样，只不过把send_domain改为了recv_domain。

然后就可以在期望的点（get_data_point）进行uart线上的数据的采集了，由于uart线上是先发的低位，再发的高位，所以这儿采用右移的方式来存储采集的数据，数据先存储在寄存器dout_tmp中。同理采集结束位的信号，保存在寄存器stop_ok中，用于线上数据的校验。

最后完成数据的接收后，如果停止位检测正确，那就可以输出采集的uart线上数据dout，同时用dout_vld信号来标识dout信号的有效。

在仿真模块中，将uart_byte_rx模块和上节课的uart_byte_tx模块一起例化仿真。

由仿真结果可以看出来，发送端把8bit的信号转换成了单bit的串行信号，接收端把串行的单bit信号又转变成了8bit的信号，发送数据和接收数据一致，功能设计正确。

这节课实现了uart接收的基本功能，和上接课的模块一起就可以完成uart最基本的通讯功能。我们知道很多uart还需要奇偶校验位，那我们下节就进一步完善uart的通讯功能。