UART转APB模块ModelSim仿真

一、简介

  之前介绍过一个UART转AHB模块，这个代码的框架有个好处，就是FPGA内总线接口比较容易修改成其他总线接口。下图是UART转AHB模块中子模块uart_ahb_mst的框图，主要有三个状态机：
（1） UART_RX_FSM将接收的UART数据解析出命令，地址和数据存入到RX_FIFO；
（2） UART_TX_FSM将读命令返回的读数据从TX_FIFO中读出，并按照字节输出；
（3） AHB_FSM将RX_FIFO中的命令，地址和数据取出按AHB格式去读写寄存器，再将读返回数据存入到TX_FIFO中。
  因此，只要将AHB_FSM按APB总线时序修改，其他模块可以不动，就能实现UART转APB总线接口。

二、简介

  APB(Advance Peripheral Bus)也是一种常用的FPGA内部总线接口。接口保留APB接口中的主要端口，描述如下。

  写传输时序图如下图，主机在T1时刻把所要访问的地址，命令和数据全部放到APB总线上。在T2时刻，从机发现自己的PSEL信号为高，PWRITE为高，就知道主机选择它来处理数据的写操作，此时从机内部准备好处理数据的准备动作，在T3时刻，从机完成总线上数据采样并进行内部数据处理。

  读传输时序图如下图，主机在T1时刻把所要访问的地址，命令全部放到APB总线上。在T2时刻，从机发现自己的PSEL信号为高，PWRITE为低，就知道主机选择它来读操作，并将读取的数据放到APB总线上，在T3时刻，主机完成总线上读数据采样。

三、模块介绍

  仿真工程可以从此地址下载https://download.csdn.net/download/cjie221/90497735
  如下图是UART转APB模块的功能框图。与之前介绍过一个UART转AHB模块类似。主要分两部分，uart_slv_top模块和uart_apb_mst模块。

1. uart_slv_top模块

  uart_slv_top模块相当于UART的从设备，接收从上位机发送过来的串行指令数据，转成字节数据和数据使能信号。框图和主要端口如下图。

  此模块与UART转AHB中模块一样，其中uart_rxs用2个计数器，一个计每个bit位的时钟数，另一个计bit位数，1个开始位，8个数据位，一个停止位，共10位。然后将串行8个数据位转成并行输出并加上数据有效指示信号。
  uart_txs同样也是用2个计数器实现数据转换，一个计每个bit位的时钟数，另一个计bit位数。在tx_rdy信号为高时，等待tx_wrreq请求信号和数据，然后拉低tx_rdy信号，表示发送模块正在忙，待串行数据传输完，再拉高tx_rdy。

2. uart_apb_mst模块

  uart_apb_mst模块接收uart_slv_top模块发送过来的rx_data数据，解析出读写命令和地址，再转成APB总线接口输出控制APB slave从模块。如果是读命令，还要将读回的寄存器值转成tx_wrreq请求信号和数据送给uart_slv_top模块。
框图和主要端口如下图。

四、实际仿真过程

  如下图所示是testbench框图，除uart_apb_mst_top模式是被测试模块，其他模块是测试激励和相关辅助模块。

  uart_cmd_trans模块主要有两个作用，一是负责将如下字符转成ASCII 码输出。

define CHAR_SPACE      8'h20
`define CHAR_R_UP       8'h52
`define CHAR_r_LO       8'h72
`define CHAR_W_UP       8'h57
`define CHAR_w_LO       8'h77
`define CHAR_0          8'h30
`define CHAR_1          8'h31
`define CHAR_2          8'h32
`define CHAR_3          8'h33
`define CHAR_4          8'h34
`define CHAR_5          8'h35
`define CHAR_6          8'h36
`define CHAR_7          8'h37
`define CHAR_8          8'h38
`define CHAR_9          8'h39
`define CHAR_A_UP       8'h41
`define CHAR_B_UP       8'h42
`define CHAR_C_UP       8'h43
`define CHAR_D_UP       8'h44
`define CHAR_E_UP       8'h45
`define CHAR_F_UP       8'h46
`define CHAR_a_LO       8'h61
`define CHAR_b_LO       8'h62
`define CHAR_c_LO       8'h63
`define CHAR_d_LO       8'h64
`define CHAR_e_LO       8'h65
`define CHAR_f_LO       8'h66 

  二是产生寄存器读写测试指令。可根据自己需要，修改指令数量和内容
localparam N = 4;//instruction number, must match with actual memory depth
assign memc[0] = "R 0000000a ";
assign memc[1] = “W 0000000a 00001234”;
assign memc[2] = "R 00000004 ";
assign memc[3] = "R 0000000a ";

  写寄存器命令格式W 地址 数据，例如：W 0000000a 00001234
  读寄存器命令格式R 地址，例如：R 00000004
  命令，地址和数据之间用1个空格隔开，命令w和r，大小写都可以。地址和数据都用32位的十六进制表示，不用加0x前缀。

  uart_mst_top模块将ASCII 码转成UART格式串行输出，模拟上位机的UART端口。
  仿真波形如下图所示。

结语

  通过ModelSim仿真，我们能够确认UART转APB转换模块的功能，满足预期设计。并且如有需要FPGA内总线接口也比较容易改成其他总线接口。