串口收发模块设计

作者：巩文宏 公众号：数字积木

该串口收发模块有串口发送模块，串口接收模块，波特率生成模块，发送数据fifo模块，接收数据的fifo模块组成。
默认配置下，要求输入的参考时钟为50MHz，输入输出的波特率默认配置为115200.该设置体现在波特率生成模块中。
整体的设计框架如下：

端口定义如下：端口名方向描述ClkInput主时钟，默认频率为50MHzRst_nInput复位信号，低有效RsRxInput串口接收端口RSTxOutput串口发送端口Tx_data_in[7:0]Inputtx端要发送的1字节数据Rx_data_out[7:0]outputrx端口接收到的1字节数据Tx_wenInput发送数据的写入使能信号Rx_renInput接收数据的读取使能信号Uart_irqoutput串口中断信号，为高时标志着rx接收到了有效的数据该模块的使用：发送数据：
将要发送的数据放置到Tx_data_in[7:0]总线上，同时将Tx_wen置为高，下一个时钟时，该数据会写进tx_fifo中。如要发送多字节数据，则重复上述步骤，每个时钟向TX_FIFO中发送一个字节的数据，tx_fiof的默认深度为256，可以储存256个字节的数据，则一次最多可以发送256字节数据。接收数据：
接收到一个字节的有效数据时，该字节立即在Rx_data_out[7:0]端口输出，此时中断信号Uart_irq为高时，读取输出端口的数据，同时将Rx_ren置一个时钟的高电平即可 。 。1，波特率计数模块在波特率生成模块中，生成发送和接收数据的采样时钟，该采样时钟为波特率的16倍频时钟。count_reg 是分频计数器。27为波特率设置为115200时的时钟分频参数。

设置一个可配置参数 Baud_rate，便可以再顶层例化模块中通过该参数来改变串口的波特率。参数值和对应的波特率如下表所示。默认情况下，配置参数为6，对应的波特率设置为115200.

分频计数器的参数计算如下：
分频参数 = 主时钟频率/(波特率*16)。
设置为其他常用波特率时，该参数的值为下表：波特率计算的分频参数实际的分频参数配置参数12002604.22604124001302.1130224800651.065139600325.532543840081.481511520027.1276 2，fifo模块 tx_fifo和rx_fifo 都是例化的自定义的fifo模块。该fifo模块预留有参数接口，可以通过改变该参数来改变fifo的深度和数据宽度。
fifo模块用于临时储存串口发送和接收的数据，进行跨时钟预的数据储存。若不使用fifo来暂存数据，由于串口发送数据相对缓慢，则要连续发送多个字节的数据时，必须等待上一个字节发送完成后才能发送下一个字节，则主模块便要不断等待。使用fifo后，便可以将连续多个字节的数据一次性发送到fifo中，发送模块便会自动读取fifo中的数据进行发送，主模块便可以空闲。
接收模块的fifo同理。将接收到的多个数据暂时储存在fifo中，在读取时便可以一次性连续读取多个字节的数据。
当往fifo中写入数据时，写入的第一个字节的数据就会在R_out[7:0]端口输出。将rd信号置高时，读指针指向下一个地址，在下一个时钟将输出下一个字节数据。fifo模块的配置参数和端口定义如下：

定义了一个名为array_reg的内存阵列，该内存阵列的储存深度由参数AWIDTH决定，储存的深度等于 2^AWIDTH.fifo的数据宽度等于DWIDTH。

在串口模块例化该fifo模块时，将AWIDTH配置为8，DWIDTH也配置为8。即例化了一个数据宽度为8，储存深度为256的fifo模块。

发送数据fifo：
要通过tx端口向其他串口设备发送数据，首先将要发送的数据放置到Tx_data_in[7:0]总线上，同时将Tx_wen置为高，下一个时钟时，该数据会写进tx_fifo中。如要发送多字节数据，则重复上述步骤，每个时钟向TX_FIFO中发送一个字节的数据，tx_fiof的默认深度为64，可以储存64个字节的数据，则一次最多可以发送64字节数据。当数据储存到TX_FIFO中后，fifo的空标志位（empty）不等于零，令发送模块的开发发送标志位（tx_start）等于 ~empty，则当fifo内储存有要发送的数据时，tx_start信号为1，此时，发送模块从TX_FIFO中读取一字节的数据。待这一字节的数据发送完成后，继续读取fifo内储存的下一个发送数据。直至将fifo内储存的数据全部读取完后，empty等于1，tx_start等于0，发送模块不再发送数据。 接收数据fifo：
当接收到rx端口的有效数据时，接收到的数据会临时储存在rx_fifo中，第一个字节的数据就会在Rx_data_out[7:0]端口输出。中断信号 uart_irq 时rx_fifo的空标志位的取反，此时中断信号 uart_irq 为高，标志这接收到了有效的数据。此时将Rx_ren置为高，读指针指向下一个数据的地址，在下一个时钟将输出下一个字节数据。连续将Rx_ren置为高，则可读出储存在rx_fifo中的接收到的数据，并从Rx_data_out[7:0]端口输出，直到fifo中的数据被读完。
故当tx_fifo里每接收到一个数据时，中断信号为高即标志着接收到了数据，同时在接收到的数据就在Rx_data_out[7:0]端口输出。如果每接收到一个有效数据就立即读取，则必须同时发送一个周期的Rx_ren高信号，使得读地址指针指向下一个读地址，以便当接收到新的数据时，也能立即输出。
如果等待接收多个字节的数据才读取的话，此时输出端口直接输出第一个字节的地址，当将Rx_ren信号置高时，每一个时钟输出一个接收到的数据，直到fifo中的数据被读完。3，发送模块
发送模块的端口如下：

当 信号 tx_start 为高时，该模块将此时端口 d_in[7：0]输入的数据按照预定的波特率将该字节的数据从端口tx发送出去， 波特率时钟 b_tick 指定了该模块的波特率。等到该字节数据发送完成后，tx_done信号被置为一个时钟的高电平。tx_done信号连接到tx_fifo的读端口，当tx_done为高时，fifo的读指针指向下一个地址，如果下一个地址还储存有数据，输出端口输出储存在下一个地址中的数据，同时empty信号为0，串口发送模块将继续发送数据。当下一个地址还没有数据时，empty输出为高，数据发送停止。4，接收模块接收模块的端口如下：

当该模块从rx端口接收到一个有效的字节数据后，rx_done会置高一个时钟，同时接收到的数据从端口dout[7:0]输出。rx_done连接到rx_fifo的写使能端口，接收到的数据将写入到rx_fifo中。5，模块测试通过电脑端串口向FPGA发送数据，FPGA端RX模块接收到数据后再将该数据通过串口在发送到电脑端。
我们连续发送了字符串“123”，在接收端也同样接收到了字符串“123”。

这是接收到的三个字符采样得到的时序图。

如下图，当接收到一个字节数据后，uart_irq信号会置高，同时接收到的数据就立刻在rx_data_out[7:0]端口输出。然后将rx_ren信号置高一个时钟，让读地址指针指向下一个地址，则当再次接收到一个新的数据时，该数据也能马上输出。

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