源码系列：基于FPGA的串口UART设计（附源工程）

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今天给大侠带来基于FPGA的UART设计，附源码，获取源码，请在“FPGA技术江湖”公众号内回复“UART设计源码”，可获取源码文件。话不多说，上货。

设计背景

串口的出现是在1980年前后，数据传输率是115kbps～230kbps。串口出现的初期是为了实现连接计算机外设的目的，初期串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像头和写字板等设备。串口也可以应用于两台计算机（或设备）之间的互联及数据传输。由于串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低，部分新主板和大部分便携电脑已开始取消该接口。串口多用于工控和测量设备以及部分通信设备中。

串口是串行接口的简称，也称串行通信接口或串行通讯接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。串行接口（Serial Interface）是指数据一位一位地顺序传送。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。

通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。串口通信的两种最基本的方式为：同步串行通信方式和异步串行通信方式。

同步串行通信是指SPI（Serial Peripheral interface）的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI是一种高速的全双工通信总线。封装芯片上总共有四根线，PCB布局布线也简单，所以现在很多芯片集成了这个协议。主要用于CPU和各种外围器件进行通信，TRM450是SPI接口。

异步串行通信是指UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用异步接收/发送。UART是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在主板上。UART包含TTL电平的串口和RS232电平的串口。RS232也称标准串口，也是最常用的一种串行通讯接口。RS-232-C 标准对两个方面作了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。RS-232－C 采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通常的TTL电平也不兼容，RS-232-C 将-5V～-15V 规定为“1”，+5V～+15V 规定为“0”。

设计原理

uart的示意图如下：

其端口对应的功能表如下：

在设计过程中只需要关心RS232_TXD和RS232_RXD两个信号， RS232_TXD是数据发送端口，RS232_RXD是数据接收端口。

本设计将通过串口建立起计算机和实验板（ZX_1）之间的通信和控制关系，也就是通常所说的上下位机通信。要实现这样的通信，首先需要用到一个外部的电平转换芯片MAX232,其具体配置电路原理图如下：

解析：

MAX232芯片是美信(MAXIM)公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。

主要特点:

1、符合所有的RS-232C技术标准；

2、只需要单一+5V电源供电；

3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-；

4、功耗低，典型供电电流5mA；

5、内部集成2个RS-232C驱动器；

6、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。

本设计还需要分析在通信过程中，UART所对应的数据格式如下：

起始位：线路空闲时为高电平，当截获第一个低电平比特时，则为起始位；

信息位：在起始位之后，按照低位首发原则，顺序发送信息位的最低位到最高位，信息位的宽度可以是4、5、6、7、8中的一个；

奇偶校验位：信息位之后则是一个可选的奇偶校验位，它可以是无校验（NONE）、奇校验（ODD）、偶校验（EVEN）中的任意一个，无校验时，信息位之后就是停止位。奇偶校验是，使得信息位和校验位的所有1的个数保持奇数或者偶数位；

停止位：停止位的长度可以是1、1.5或2中的任意一个，它为高电平；

空闲位：持续的高电平。

波特率：每秒传输的数据位（bit）数为波特率。RS-232-C的波特率可以是50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

通过分析上述的数据格式，在本设计中，将波特率设置为9600，起始位设置为1比特，信息位设置为8比特，奇偶校验位设置为0比特，停止位设置为2比特，空闲位设置为1比特。

因为在设计中只需要关注RS232_TXD和RS232_RXD这两个信号，既然只有两条线，所以只需要关注其数据收发时序即可，时序图如下：

设计架构

设计总架构图如下：

uart_pll模块是一个锁相环，通过50M的外部时钟（ref_clk），倍频得到100M的上游接口的100M系统时钟（sys_clk）；divider模块为UART的分频模块，通过用100M的sys_clk作为输入，分频得到波特率为9600的uart_clk时钟。

transmitter模块为串口发送模块，并配合与其对应的trans_fifo发送数据缓存FIFO进行使用，将储存在FIFO中的数据通过RS232-C协议发送出去；

receiver模块为串口接收模块，并配合与其对应的rec_fifo接收数据缓存FIFO进行使用，将储存在FIFO中的数据通过RS232-C协议接收进来；

UART发送器（transmitter）设计

UART发送器的时序如下图：

UART接收器（receiver）设计

根据对UART时序的分析可以得到如下的状态转移表（SMF）：

设计代码

顶层uart_lsm模块代码：

`include "uart_lsm_head.v"
module uart_lsm(ref_clk, global_reset,tdata, twrreq,       tfull, rdata, rrdreq, rempty, uart_txd, uart_rxd);
  input ref_clk, global_reset;  //全局时钟复位  input [7:0] tdata;  //发送fifo输入数据  input twrreq;  //发送fifo写请求   output tfull;   //发送fifo输出写满  output [7:0] rdata;  //接收fifo输出数据  input rrdreq;   //接收fifo的输入读请求  output rempty;   //接收fifo的输出入空   output uart_txd;  //输出发送线信号  input uart_rxd;  //输入接收线信号
  wire trxd;
  wire [7:0] tf_data, rf_data;  wire tf_rdreq, tf_empty, rf_wrreq;  wire sys_clk, uart_clk, rst_n;

  assign rst_n = ~global_reset;
  trans_fifo t_fifo(    //发送fifo    .data(tdata),    .rdclk(uart_clk),    .rdreq(tf_rdreq),    .wrclk(sys_clk),    .wrreq(twrreq),    .q(tf_data),    .rdempty(tf_empty),    .wrfull(tfull)  );
  transmitter trans(   //发送模块    .clk(uart_clk),     .rst_n(rst_n),     .empty(tf_empty),     .data(tf_data),     .rdreq(tf_rdreq),     .txd(trxd)  );
  rec_fifo r_fifo(     //接收fifo    .data(rf_data),    .rdclk(sys_clk),    .rdreq(rrdreq),    .wrclk(uart_clk),    .wrreq(rf_wrreq),    .q(rdata),    .rdempty(rempty)  );
  receiver rece(     //接收模块    .clk(uart_clk),     .rst_n(rst_n),     .data(rf_data),     .wrreq(rfwrreq),     .rxd(trxd)  );
  uart_pll u_pll(         //锁相环产生系统时钟，作用于fifo、divider    .areset(global_reset),    .inclk0(ref_clk),    .c0(sys_clk)  );
  divider_ebd_1s_mealy   //分频模块分频uart_clk，作用于receiver transmitter  #(.HW(`DW), .LW(`DW))  div(    .clk_in(sys_clk),     .rst_n(rst_n),     .clk_out(uart_clk)  );
endmodule

transmitter模块代码：

//uart发送模块LSM（线性序列机）module transmitter(clk, rst_n, empty, data, rdreq, txd);
  input clk, rst_n;  //输入时钟复位  input empty;       //来自fifo的输入空标志信号  input [7:0] data;  //来自fifo的输入数据  output reg rdreq;  //输出到fifo的读请求  output reg txd;    //输出发送线信号
  reg [7:0] temp;      //中间寄存器  reg [7:0] count;    //8位计数
  `define EP 192   //终止符
  always @ (posedge clk or negedge rst_n)  begin  : lsm_2s1   //线性序列机一段闭节点    if (!rst_n)   //复位      count <= `EP;    else if ((count >= `EP) && !empty)  //计数大于终止符和非空（empty=0）      count <= 0;    else if (count < `EP) //计数小于终止符      count <= count + 1;  end 
  always @ (posedge clk or negedge rst_n)  begin  : lsm_2s2  //线性序列机一段闭节点    if (!rst_n)  //复位      begin        txd <= 1;   //发送线为高        rdreq <= 0;  //读请求为0        temp <= 0;  //中间寄存器为0      end     else if ((count >= `EP) && !empty) //计数大于终止符fifo为非空，读请求拉高        rdreq <= 1;    else       case (count)        0  :  begin              rdreq <= 0;  //读请求拉低              txd <= 0;            end         1  :  temp[7:0] <= data[7:0];  //输入数据给中间寄存器        1*16  :  txd <= temp[0];   //中间寄存器按位给发送线发送        2*16  :  txd <= temp[1];        3*16  :  txd <= temp[2];        4*16  :  txd <= temp[3];        5*16  :  txd <= temp[4];        6*16  :  txd <= temp[5];        7*16  :  txd <= temp[6];        8*16  :  txd <= temp[7];        9*16  :  txd <= 1;    //拉高      endcase       end   
endmodule

接收模块receiver代码：

`include "uart_lsm_head.v"
module receiver(clk, rst_n, data, wrreq, rxd);   //uart接收模块LSM（线性序列机）
  input clk, rst_n;  //输入时钟复位  output reg [7:0] data;  //输出数据  output reg wrreq;   //输出写请求  input rxd;    //输入接收线信号
  reg [7:0] count;  //宏定义  `define EP   184   //终止符  `define GET0 24  `define GET1 `GET0+16  `define GET2 `GET1+16  `define GET3 `GET2+16  `define GET4 `GET3+16  `define GET5 `GET4+16  `define GET6 `GET5+16  `define GET7 `GET6+16  `define GETW `GET7+16  //wrreq=1  `define GLRW `GETW+1   //wrreq=0
  always @ (posedge clk or negedge rst_n)  begin : lsm_2s1   //线性序列机一段闭节点    if(!rst_n)      count <= `EP;    else if((count >= `EP) && !rxd) //rxd=0      count <= 0;    else if (count < `EP)      count <= count + 1;  end
  always @ (posedge clk or negedge rst_n)    begin  : lsm_2s2   //线性序列机二段闭节点           if(!rst_n)        begin                data <= 0;          wrreq <= 0;      //写请求为0        end       else        case(count)          `GET0  :  data[0] <= rxd;   //将接收的数据通过data输出          `GET1  :  data[1] <= rxd;          `GET2 :   data[2] <= rxd;          `GET3 :   data[3] <= rxd;          `GET4 :   data[4] <= rxd;          `GET5 :   data[5] <= rxd;          `GET6 :   data[6] <= rxd;          `GET7 :   data[7] <= rxd;          `GETW :   wrreq <= 1;   //写请求拉高一拍，写进fifo          `GLRW :   wrreq <= 0;   //一拍后写请求为0        endcase    end
endmodule

参数宏的头文件代码：

/////uart_lsm_head.v
//////////定义时标////////////`timescale 1us/1ns
/////////定义设计参数/////////`define BAUD_RATE 9600   //波特率=9600`define SYS_CLK 100000000 //系统时钟sys_clk 频率=100M`define REF_CLK 50000000 //系统时钟ref_clk频率=50M
//////////使用宏自动计算的诸参数////////////`define TBAUD_RATE (1000000.0/`BAUD_RATE)//波特率周期`define UART_CLK (16*`BAUD_RATE)        //uart_clk 等于16倍波特率`define TUART_CLK (1000000.0/`UART_CLK) //uart_clk周期`define TEN_TUART_CLK (10.0*`TUART_CLK) //10倍uart_clk周期`define TUART_CLK100 (100.0*`TUART_CLK) //100倍uart_clk周期
`define TUART_CLK_HALF (`TUART_CLK/2.0) //uart_clk半周期`define TREF_CLK (1000000.0/`REF_CLK)  //参考时钟周期`define TREF_CLK_HALF (`TREF_CLK/2.0)  //参考时钟半周期
//////////使用宏自动计算的分频数（占空比50%）////////////`define DW (`SYS_CLK/(2*`UART_CLK))

仿真测试

transmitter（发送）模块的测试代码：

`include "uart_lsm_head.v"
module transmitter_tb;
  reg clk, rst_n;  reg empty;  reg [7:0] data;  wire rdreq;  wire txd;    reg [7:0] temp;
  transmitter transmitter_dut(      .clk(clk),      .rst_n(rst_n),      .empty(empty),      .data(data),      .rdreq(rdreq),      .txd(txd)    );
  initial begin    clk = 1;    rst_n = 0;    data = 0;    empty = 1;    temp = 0;    #200.1 rst_n = 1;        #200.1 empty=1;temp=8'h55;    #`TBAUD_RATE    data[0] = temp[0];  //发送第一个信息位（LSB）    #`TBAUD_RATE    data[1] = temp[1];    #`TBAUD_RATE    data[2] = temp[2];    #`TBAUD_RATE    data[3] = temp[3];    #`TBAUD_RATE    data[4] = temp[4];    #`TBAUD_RATE    data[5] = temp[5];    #`TBAUD_RATE    data[6] = temp[6];    #`TBAUD_RATE    data[7] = temp[7];    #`TBAUD_RATE    empty = 0;      #2000 $stop;        end    always #`TUART_CLK_HALF clk = ~clk;  endmodule 

receiver（接收）模块的测试代码：

`include "uart_lsm_head.v"
module receiver_tb;
  reg clk, rst_n;  reg rxd;  wire [7:0] data;  wire wrreq;    reg [7:0] temp; //8位的中间寄存器，产生激励    receiver receiver_dut(    .clk(clk),    .rst_n(rst_n),    .data(data),    .wrreq(wrreq),    .rxd(rxd)  );    initial begin    clk = 1;    rst_n = 0;    temp = 0;    rxd = 1;    #`TEN_TUART_CLK  //*代表异步 //10倍uart_clk周期    rst_n = 1;        #`TEN_TUART_CLK  //启动一个停止位      rxd = 0;      temp = 8'h55;      #`TBAUD_RATE    //数据使用波特率的周期    rxd = temp[0];  //发送一个信息位（LSB）    #`TBAUD_RATE    rxd = temp[1];    #`TBAUD_RATE    rxd = temp[2];    #`TBAUD_RATE    rxd = temp[3];    #`TBAUD_RATE    rxd = temp[4];    #`TBAUD_RATE    rxd = temp[5];    #`TBAUD_RATE    rxd = temp[6];    #`TBAUD_RATE    rxd = temp[7];   //发送最后一个信息位（HSB）    #`TBAUD_RATE    rxd = 1;        #`TUART_CLK100 $stop;   //100倍uart_clk周期  end      always #`TUART_CLK_HALF clk = ~clk;  // uart_clk 的时钟，使用uart_clk的半周期
endmodule 

仿真图：分别为发送和接收做仿真测试。

发送的仿真波形如下：

接收的仿真波形如下：

根据以上两个仿真波形，可以发现设计是正确的，之后则可利用串口猎人的上位机软件，实现自发自收。