野火FPGA跟练（四）——串口RS232、亚稳态

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简介

• UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，异步串行通信接口。发送数据时并行转串行，接收数据时串行转并行。
• RS232：UART包括多种接口标准规范和总线标准规范，RS232为其一，还有RS499、RS423、RS422、RS485等。

接口与引脚

重点关注RXD、TXD即可。

通信协议

• 帧结构：包含8bit有效数据和起始位、停止位。空闲状态是高电平，起始位低电平，停止位高电平。低位数据先发，后发高位。
  
  假设我要传输字符“1”，对应的ASCII码值是0x31，即“0011 0001” ，低位先发，那么我的这帧数据波形为 0 1000 1100 1

• 波特率：假设波特率为9600Bps，传输一个码元（一个码元在这里代表一个二进制数，就是1bit数据）需要1/9600秒。假设系统时钟50MHz（周期为20ns），那么传输1bit数据所需的时间为 (1/9600)/(20*e-9) = 5208.33 ≈ 5208 个时钟周期。

亚稳态

• 产生原因：
  触发器采集输入信号时需要一定的建立时间和保持时间，如果在这一期间输入信号发生变化，那么触发器将无法稳定输出，导致输出信号在高低电平间快速振荡，即进入亚稳态。

• 不良影响：
  如果处于亚稳态的信号直接接入组合逻辑电路，会导致亚稳态在整个系统中传递，从而影响整个电路的运行，导致不稳定。

• 解决方案：
  单比特信号可以采用“打两拍”，多比特信号可以采用异步FIFO、格雷码、握手。

RS232接收模块

模块框图

输入输出描述：

1. 时钟：50MHz，每10ns翻转一次
2. 复位：高电平异步复位
3. RX：接收的串口数据
4. DATA：处理后的数据，并行输出
5. FLAG：置高时代表已处理好一帧数据，只维持一个时钟周期

时序波形

示意时序图，以9600波特率为例。

时序图分析：

• RX_REG
  • RX_REG1：是将 RX 同步到时钟信号上。
  • RX_REG2、3：打两拍，避免亚稳态。
• START_FLAG 标志数据接收的开始、WORK_EN 标志数据接收的状态
  • START_FLAG：这里使用的是组合方式赋值，通过 RX_REG2、3 检测 RX_REG 的下降沿。由于 RX_REG 的数据位中也有可能存在下降沿，所以 START_FLAG 置高的前提条件还应有 WORK_EN 为 0 。
  • WORK_EN：WORK_EN 通过判断 START_FLAG 的状态而置高，通过判断 BIT_CNT、BIT_FLAG 的状态而置低，其余时刻保持不变。
• BAUD_CNT、BIT_FLAG
  • BAUD_CNT：BAUD_CNT 只在 WORK_EN 为高时计数
  • BIT_FLAG：在每比特数据传输时的中间时刻拉高
• RX_DATA
  由于是低位数据先发，所以 RX_REG 的数据存在 RX_DATA 的高位，每次更新时 RX_DATA 右移，实现数据的串行转并行。RX_DATA 的值在 BAUD_CNT 为 1-8 并且 BIT_FLAG 为高时采集 RX_REG。

RTL 代码

module RS232_RX
#(parameter UART_BPS = 'd9600,parameter CLK_FREQ = 'd50_000_000
)
(input   wire         clk,input   wire         rst,input   wire         rx,output  reg   [7:0]  data,output  reg          flag);parameter BAUD_CNT_MAX = CLK_FREQ / UART_BPS;reg rx_reg1;reg rx_reg2;reg rx_reg3;wire start_flag;reg work_en;reg [16:0] baud_cnt;reg bit_flag;reg [3:0] bit_cnt;reg [7:0] rx_data;reg data_flag;// 赋值rx_reg1always@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)rx_reg1 <= 1'b1;elserx_reg1 <= rx;end// 赋值rx_reg2always@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)rx_reg2 <= 1'b1;elserx_reg2 <= rx_reg1;end// 赋值rx_reg3always@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)rx_reg3 <= 1'b1;elserx_reg3 <= rx_reg2;end// 赋值start_flagassign start_flag = ((rx_reg2 == 1'b0) && (rx_reg3 == 1'b1));// 赋值work_enalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)work_en <= 1'b0;else if(start_flag == 1'b1)work_en <= 1'b1;else if((bit_flag == 1'b1) && (bit_cnt == 4'd8))work_en <= 1'b0;elsework_en <= work_en;end// 赋值baud_cntalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)baud_cnt <= 17'b0;else if((baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1) || (work_en == 1'b0))baud_cnt <= 17'b0;elsebaud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;end // 赋值bit_flagalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)bit_flag <= 1'b0;else if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX / 2 - 1)bit_flag <= 1'b1;elsebit_flag <= 1'b0;end  // 赋值bit_cntalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)bit_cnt <= 4'b0;else if((bit_flag == 1'b1) && (bit_cnt == 4'd8))bit_cnt <= 4'b0;else if(bit_flag == 1'b1)bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;elsebit_cnt <= bit_cnt;end// 赋值rx_dataalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)rx_data <= 8'b0;else if((bit_cnt >= 4'd1) && (bit_cnt <= 4'd8) && (bit_flag == 1'b1))rx_data <= {rx_reg3,rx_data[7:1]};elserx_data <= rx_data;end// 赋值data_flagalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)data_flag <= 1'b0;else if((bit_flag == 1'b1) && (bit_cnt == 4'd8))data_flag <= 1'b1;elsedata_flag <= 1'b0;end// 赋值dataalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)data <= 8'd0;else if(data_flag == 1'b1)data <= rx_data;elsedata <= data;end// 赋值flagalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)flag <= 1'b0;elseflag <= data_flag;end
endmodule

易错点

如果数据是多位的，赋值时需要注意其位宽大小。如果一个多位宽的数据赋值为“1’b0”，这将只赋值给这个数据的最低位，其他位将保留原值，与本意相悖。

Testbench 代码

`timescale 1ns / 1ps
module tb_RS232_RX();reg     clk;reg     rst;reg     rx;wire [7:0]  data;wire    flag;// 初始化clk和rstinitial beginclk <= 1'b0;rst <= 1'b1;#60;rst <= 1'b0;end always #10 clk = ~clk;// 初始化rxinitial beginrx <= 1'b1;#100;rx_bit(8'b1001_0001);rx_bit(8'b0101_0010);rx_bit(8'b1110_0101);rx_bit(8'b0110_1000);rx_bit(8'b0110_1011);rx_bit(8'b0011_0110);rx_bit(8'b0001_1110);end// rx_bit函数，生成串行数据task rx_bit(input [7:0] rx_data);integer i;for(i = 0; i < 10; i = i + 1) begincase(i)0: rx <= 1'b0;1: rx <= rx_data[0];2: rx <= rx_data[1];3: rx <= rx_data[2];4: rx <= rx_data[3];5: rx <= rx_data[4];6: rx <= rx_data[5];7: rx <= rx_data[6];8: rx <= rx_data[7];9: rx <= 1'b1;endcase#(5208*20);   end         endtask// 实例化模块RS232_RX #(.UART_BPS(9600),.CLK_FREQ(50_000_000))tb_RS232_RX(.clk      (clk  ),.rst      (rst  ),.rx       (rx   ),.data     (data ),.flag     (flag ));
endmodule

仿真

RS232发送模块

模块框图

输入输出描述：

1. 时钟：50MHz，每10ns翻转一次
2. 复位：高电平异步复位
3. DATA：待发送的并行数据
4. FLAG：数据标志位
5. TX：输出处理后的串行数据

时序波形

示意时序图，以9600波特率为例。

时序图分析：

• WORK_EN：WORK_EN 通过判断 START_FLAG 的状态而置高，通过判断 BIT_CNT、BIT_FLAG 的状态而置低，其余时刻保持不变。
• BAUD_CNT、BIT_FLAG
  • BAUD_CNT：BAUD_CNT 只在 WORK_EN 为高时计数
  • BIT_FLAG：在 BAUD_CNT 计数为1时刻拉高

RTL 代码

module RS232_TX
#(parameter UART_BPS = 'd9600,parameter CLK_FREQ = 'd50_000_000
)
(input wire clk,input wire rst,input wire [7:0] data,input wire flag,output reg tx);parameter BAUD_CNT_MAX = CLK_FREQ / UART_BPS;reg work_en;reg [16:0] baud_cnt;reg bit_flag;reg [3:0] bit_cnt;// 赋值work_enalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)work_en <= 1'b0;else if(flag == 1'b1)work_en <= 1'b1;else if((bit_flag == 1'b1) && (bit_cnt == 4'd10))work_en <= 1'b0;elsework_en <= work_en;end// 赋值baud_cntalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)baud_cnt <= 17'b0;else if((baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1'b1) || (work_en == 1'b0))baud_cnt <= 17'b0;elsebaud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;end// 赋值bit_flagalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)bit_flag <= 1'b0;else if(baud_cnt == 17'b1)bit_flag <= 1'b1;elsebit_flag <= 1'b0;end// 赋值bit_cntalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)bit_cnt <= 4'b0;else if((bit_flag == 1'b1) && (bit_cnt == 4'd10))bit_cnt <= 4'b0;else if(bit_flag == 1'b1)bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;elsebit_cnt <= bit_cnt;end// 赋值txalways@(posedge clk or posedge rst) beginif(rst == 1'b1)tx <= 1'b1;else begincase(bit_cnt)4'd1: tx <= 1'b0;4'd2: tx <= data[0];4'd3: tx <= data[1];4'd4: tx <= data[2];4'd5: tx <= data[3];4'd6: tx <= data[4];4'd7: tx <= data[5];4'd8: tx <= data[6];4'd9: tx <= data[7];4'd10: tx <= 1'b1;default: tx <= 1'b1;endcaseendend
endmodule

Testbench 代码

`timescale 1ns / 1ps
module tb_RS232_TX();reg clk;     reg rst;    reg [7:0] data;reg flag;wire tx;       // 初始化clk和rstinitial beginclk <= 1'b0;rst <= 1'b1;#60;rst <= 1'b0;end always #10 clk = ~clk;// 初始化data和flaginitial begindata <= 8'd0;flag <= 1'd0;#200;// 数据1data <= 8'b0010_1011;flag <= 1'd1;#20;flag <= 1'd0;#(5208*12*20);// 数据2data <= 8'b0111_0101;flag <= 1'd1;#20;flag <= 1'd0;#(5208*12*20);// 数据3data <= 8'b1010_0001;flag <= 1'd1;#20;flag <= 1'd0;#(5208*12*20);end// 实例化模块RS232_TX #(.UART_BPS(9600),.CLK_FREQ(50_000_000))tb_RS232_TX(.clk    (clk),       .rst    (rst),       .data   (data),.flag   (flag),      .tx     (tx)      );
endmodule

仿真