ZYNQ初识10（zynq_7010）UART通信实验

基于bi站正点原子讲解视频：

系统框图（基于串口的数据回环）如下：

        以下，是串口接收端的波形图，系统时钟和波特率时钟不同，为异步时钟，，需要先延时两拍，将时钟同步过来，取到start_flag信号，由start_flag信号结合clk_cnt、bps_cnt两个计数器取到rx_flag信号，随后在rx_flag高电平时计算clk_cnt以及bps_cnt两个信号。最后两个信号uart_done、uart_data则在串口发送模块有所体现。

        实际上，uart_done在串口发送模块中也就是uart_en信号，而uart_data也就是发送模块中的uart_din信号。

`timescale 1ns / 1ps
// Create Date: 2025/01/06 09:38:08
// Design Name: 
// Module Name: uart_recv
module uart_recv(input              sys_clk   ,    //50Mhz系统时钟input              sys_rst_n ,input              uart_rxd  ,   //接收到的数据output  reg [7:0]  uart_data  ,   //输出的并行数据output  reg        uart_done     //一帧信号接收完成);parameter  sys_freq = 50_000_000;parameter  uart_bps = 115_200;parameter  bps_cnt  = sys_freq/uart_bps - 1;//从0开始计算reg         uart_rxd_d0;reg         uart_rxd_d1;wire        start_flag;reg         rx_flag;reg  [15:0] clk_cnt;reg  [3:0]  rx_cnt;reg  [7:0]  rx_data;//中间变量存储提取到的每个位的数据来实现串口端的串并转换//由高电平向低电平的跳变（下降沿），相当于d1延时2个时钟周期；d0延时1个时钟周期//因此判断d1是否为高且d0是否为低即可。assign  start_flag = uart_rxd_d1 & (~uart_rxd_d0);//异步时钟同步化处理always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)beginuart_rxd_d0 <= 1'b1;uart_rxd_d1 <= 1'b1;endelse beginuart_rxd_d0 <= uart_rxd;uart_rxd_d1 <= uart_rxd_d0;endend//rx_flagalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)rx_flag <= 1'b0;else if(start_flag == 1'b1)rx_flag <= 1'b1;else if((rx_cnt == 4'd9) && (clk_cnt == bps_cnt/2 - 1'b1)) //为监测到下一帧数据的起始位留半个周期的时间rx_flag <= 1'b0;else rx_flag <= 1'b1;end//clk_cntalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)clk_cnt <= 16'd0;else if(rx_flag == 1'b1)
//            begin   //效果相同否？
//                if(clk_cnt == uart_bps)
//                    clk_cnt <= 16'd0; 
//                else 
//                    clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1;
//            endbegin                               if(clk_cnt < uart_bps - 16'd1)         clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1;           else                            clk_cnt <= 16'd0; end                                                                     else clk_cnt <= 16'd0;  end//rx_cntalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)rx_cnt <= 4'd0;else if(rx_flag == 1'b1)beginif(clk_cnt == uart_bps - 16'd1)rx_cnt <= rx_cnt + 4'd1;else rx_cnt <= rx_cnt;endelserx_cnt <= 4'd0;end//rx_dataalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)rx_data <= 8'd0;else if((rx_flag == 1'b1)&&(clk_cnt == uart_bps/2)) begincase(rx_cnt)//数据的串转并_uart_rxd是异步信号//所以要需要两拍之后的信号uart_rxd_d1。4'd1: rx_data[0] <= uart_rxd_d1;4'd2: rx_data[1] <= uart_rxd_d1;4'd3: rx_data[2] <= uart_rxd_d1;4'd4: rx_data[3] <= uart_rxd_d1;4'd5: rx_data[4] <= uart_rxd_d1;4'd6: rx_data[5] <= uart_rxd_d1;4'd7: rx_data[6] <= uart_rxd_d1;4'd8: rx_data[7] <= uart_rxd_d1;endcaseendendalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)beginuart_data <= 8'd0;uart_done <= 1'd0;endelse if(rx_cnt == 4'd9)begin                       uart_data <= rx_data;    uart_done <= 1'd1;    end   elsebegin                 uart_data <= 8'd0;  uart_done <= 1'd0;  end                               end
endmodule

 以下：如何在程序中捕获信号的高低电平：（可实现异步时钟的同步处理以及信号的边沿检测）

d0 <= 1'b1;
d1 <= 1'b1;

d0 <= uart_rxd;
d1 <= d0; 

        也就是说，在初始状态时将d0、d1拉高，通过两次打拍将d0延时1个时钟周期，d1延时2个时钟周期，从而根据d0和d1的状态，设置wire型的标志位flag来捕获需要的高低电平。

          以下，是是串口发送端的波形图，整体过程和接收端基本类似，只需要进行某些变量名称的修改即可，但需要注意，接收到的数据实际上是串口接收端的发送的数据（uart_data）；uart_done信号也在发送端检测边沿电平过程中以uart_en的形式完成了两次打拍延迟。

`timescale 1ns / 1ps
// Create Date: 2025/01/06 14:50:27
// Design Name: 
// Module Name: uart_sendmodule uart_send(input         sys_clk   ,    //50Mhz系统时钟  input         sys_rst_n ,                 output  reg   uart_txd  ,   //准备发送的数据      input         uart_en  ,       input   [7:0] uart_din     //从发送模块接收到的数据    );parameter  sys_freq = 50_000_000;parameter  uart_bps = 115_200;parameter  bps_cnt  = sys_freq/uart_bps - 1;//从0开始计算reg          uart_en_d0;reg          uart_en_d1; reg          tx_flag;reg  [15:0]  clk_cnt;reg  [3:0]   tx_cnt; reg  [7:0]   tx_data;//中间变量存储提取到的每个位的数据来实现串口端的串并转换wire         en_flag;//由高电平向低电平的跳变（下降沿），相当于d1延时2个时钟周期；d0延时1个时钟周期//因此判断d1是否为高且d0是否为低即可。assign  en_flag = (~uart_en_d1) & uart_en_d0;//边沿信号检测，检测上升沿always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)beginuart_en_d0 <= 1'b1;uart_en_d1 <= 1'b1;endelse beginuart_en_d0 <= uart_en;uart_en_d1 <= uart_en_d0;endend//tx_dataalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)tx_data <= 8'd0;          else if(en_flag == 1'b1) tx_data <= uart_din;else tx_data <= tx_data;end//tx_flagalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)tx_flag <= 1'b0;else if(en_flag == 1'b1)tx_flag <= 1'b1;else if((tx_cnt == 4'd9) && (clk_cnt == bps_cnt/2 - 1))tx_flag <= 1'b0;else //tx_flag <= tx_flag; //这两句话在这里作用相同否？tx_flag <= 1'b1;end//clk_cntalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)clk_cnt <= 16'd0;else if(tx_flag == 1'b1)
//            begin 
//                if(clk_cnt == uart_bps)
//                    clk_cnt <= 16'd0; 
//                else 
//                    clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1;
//            endbegin                               if(clk_cnt < uart_bps - 16'd1)         clk_cnt <= clk_cnt + 16'd1;           else                            clk_cnt <= 16'd0; end                                                                     else clk_cnt <= 16'd0;  end//tx_cntalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)tx_cnt <= 4'd0;else if(tx_flag == 1'b1)beginif(clk_cnt == uart_bps - 16'd1)tx_cnt <= tx_cnt + 4'd1;else tx_cnt <= tx_cnt;endelserx_cnt <= 4'd0;end//uart_txdalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)uart_txd <= 1'b1;else if((tx_flag == 1'b1)&&(clk_cnt == 16'd0)) begincase(tx_cnt)//数据并转串，首先判断起始位，赋值低电平；//随后将tx_data一次赋值给输出端口uart_txd；//最后注意一帧数据的停止位，赋值高电平。4'd0: uart_txd <= 1'b0;4'd1: uart_txd <= tx_data[0];4'd2: uart_txd <= tx_data[1];4'd3: uart_txd <= tx_data[2];4'd4: uart_txd <= tx_data[3];4'd5: uart_txd <= tx_data[4];4'd6: uart_txd <= tx_data[5];4'd7: uart_txd <= tx_data[6];4'd8: uart_txd <= tx_data[7];4'd9: uart_txd <= 1'b1;endcaseendendendmodule

以下是顶层文件，分别将串口发送端和接收端两部分程序例化。

`timescale 1ns / 1ps
// Create Date: 2025/01/06 15:49:15
// Design Name: 
// Module Name: top_uartmodule top_uart(input    sys_clk   ,    //50Mhz系统input    sys_rst_n ,             input    uart_rxd  ,   //接收到的数据output   uart_txd      //准备发送的数据 );wire  [7:0]  uart_data;wire         uart_done;//串口接收模块的例化：uart_recv  uart_recv_u(.sys_clk    (sys_clk   )  ,    //50Mhz系统时钟.sys_rst_n  (sys_rst_n )  ,.uart_rxd   (uart_rxd  )  ,   //接收到的数据.uart_data  (uart_data )  ,   //输出的并行数据.uart_done  (uart_done )     //一帧信号接收完成);//     wire         uart_en ;
//     wire  [7:0]  uart_din;//串口发送模块的例化;uart_send  uart_send_u(.sys_clk   (sys_clk  )   ,    //50Mhz系统时钟  .sys_rst_n (sys_rst_n)   ,                 .uart_txd  (uart_txd )   ,   //准备发送的数据      .uart_en   (uart_done )  ,       .uart_din  (uart_data )      //从发送模块接收到的数据    );endmodule

以下是对应程序的RTL视图：

另注意1：

 打两拍的异步时钟的同步处理，打一拍是为了将异步时钟转为同步时钟，如上本例子是将波特率时钟（115200bps）转换为系统时钟50Mhz，打两拍则是为了消除亚稳态（0 1之间的状态）。

参考连接：【Chips】跨时钟域的亚稳态处理、为什么要打两拍不是打一拍、为什么打两拍能有效？_跨时钟域为什么打两拍-CSDN博客

另注意2：

为什么在程序中最后1位的停止位需要延时半个周期而不是一个完整的周期？也就是发送模块的如下程序：

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)tx_flag <= 1'b0;else if(en_flag == 1'b1)tx_flag <= 1'b1;else if((tx_cnt == 4'd9) && (clk_cnt == bps_cnt/2 - 1))//停止位只有半个波特率周期tx_flag <= 1'b0;else //tx_flag <= tx_flag; //tx_flag <= 1'b1;end

         首先延时半个周期是为了给下一帧数据接收时检测起始位留够时间，在数据回环过程中不会出现太大问题，但是如果单独调用串口的发送模块（或者接收模块）时就会出现问题，在单独调用发送模块时，因为停止位只有半个周期，所以发送1帧数据过程总会先于上位机正常接收而提前结束，造成错误。

        所以选择将停止位周期设置为1个时钟周期，但是实际上位机的波特率和实际计算的波特率仍有微小误差，在将停止位设置为1个时钟周期时，上位机（串口助手）的波特率实际会和自己设置的波特率（如9600，115200等）存在或多或少的误差，因此需要将停止位周期设置为1/2--1之间，和上位机什么时候检测到1帧数据的停止位有关。

另附加上视频中给出得数据环回模块的程序：

`timescale 1ns / 1ps
// Create Date: 2025/01/07 10:50:37
// Intrduction:  将串口接收到的数据进行缓存，消除上位机和串口模块之间的时间误差；
// Module Name: uart_loopmodule uart_loop(input              sys_clk    ,    //50Mhz系统时input              sys_rst_n  , input              recv_done  ,   //接收完成信号  input        [7:0] recv_data  ,   //接收到的数据                                             input              tx_busy    ,output  reg        send_en    ,   output  reg  [7:0] send_data     //待发送数据);reg    recv_done_d0  ;reg    recv_done_d1  ;reg    tx_ready      ;wire   recv_done_flag;  //捕获上升沿assign  recv_done_flag =  (~recv_done_d0) & recv_done_d1;//打两拍实现边沿检测always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)beginrecv_done_d0 <= 1'b0;recv_done_d1 <= 1'b0;endelse begin                    recv_done_d0 <= recv_done;recv_done_d1 <= recv_done_d0;end                                                    end//判断接收完成信号，并在串口发送模块空闲时发送是使能信号always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)begintx_ready  <= 1'b0;send_en   <= 1'b0;  send_data <= 8'd0;endelsebeginif(recv_done_flag)   begintx_ready  <= 1'b1;     send_en <= 1'b0;       send_data <= recv_data;                      end     else if(tx_ready&&(~tx_busy))begintx_ready <= 1'b0;send_en  <= 1'b1;endendend   endmodule

再者，vivado中串口默认波特率115200bps，在调试过程需要注意，如哦需要修改可参考下链接：

 https://zhuanlan.zhihu.com/p/633150036