本文分享了一種通用的Uart收發Verilog模塊，可實現Uart協議所支持的任意波特率，任意位寬數據（5~8），任意校驗位（無校驗、奇校驗、偶校驗、1校驗、0校驗），任意停止位（1、1.5、2）的數據傳輸。此模塊需要搭配FIFO使用，以消除發送端和接收端波特率不一致導致的累計誤差。此模塊經過多次測試與實際使用驗證，可實現連續10萬+數據無間隔連續發送與接收無錯誤。

一. 什么是UART

UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發器，它將并行數據轉換成串行數據進行傳輸。我們通常說的UART有兩種意思，一種是UART協議，是串口通信采用的通用協議；一種是UART串口通信，指的是TTL電平的串口通信。關于UART和串口通信的關系的詳細介紹可參考我的另一篇博客：

串口通信簡介——發展歷史與基本概念_徐曉康的博客

二. UART協議詳解

UART協議由三根線組成，Tx，Rx，Gnd即發送、接收與地，不包含時鐘線，屬于全雙工異步串行通信協議。

UART協議的波特率，Buad，表征數據傳輸的速率，因為UART協議用3.3V/5V表示邏輯1，用0V表示邏輯0，只有兩個有效電平，所以UART協議的波特率與比特率是相等的。這部分屬于數據通信的基本概念，可參考我的另一篇博客：數據通信的基本概念_徐曉康的博客。

需要注意的是， UART協議的數據傳輸雙方需要預先約定好使用相同的波特率，這樣發送端發出的數據才能被接收端正確出來。

UART協議的時序圖：

空閑位：高電平，表示此刻Tx線或Rx線處于空閑狀態，沒有進行數據傳輸。

開始位：一個傳輸時鐘周期的低電平，表示數據傳輸開始。

數據位：UART協議支持一次傳輸5、6、7或8位，每位占用一個傳輸時鐘周期。

校驗位：UART協議共支持五種校驗方式：

無校驗，即NONE，不進行校驗，此時沒有校驗位；

奇校驗，即ODD校驗，指的是如果數據位中1的個數為奇數，奇校驗值為0，否則為1；

偶校驗，即EVEN校驗，指的是如果數據位中1的個數為偶數，偶校驗值為0，否則為1；

1校驗，即MARK校驗，校驗位固定為1；

0校驗，即SPACE校驗，校驗位固定為0。

停止位：停止位表示單次傳輸結束，停止位可占1 / 1.5 / 2個傳輸時鐘周期。

一幀字符與下一幀字符間可間隔任意個空閑位，也可以完全沒有間隔，即停止位后緊跟下一幀的開始位，但這樣的話可能在連續傳輸大量數據時接收數據出錯。因為Uart是無時鐘的，發送端和接收端的波特率必然存在微小偏差，這導致接收端每一位的長度和發送端是不一樣的，所以大量數據的無間隔傳輸會使得位長誤差累加，最終導致接收錯位。

三. uart收發模塊框圖與使用說明

參數：

信號：

使用說明：

此模塊需要外接一個發送FWFT 8bit任意深度FIFO和一個接收FWFT 8bit任意深度FIFO，FIFO位寬固定為8，即使要發送的數據位寬為5~7，也可以直接寫入FIFO，如設定的Uart數據位寬為5，那么將5bit數據寫入8bit FIFO中，發送模塊也會相應的只取低5位的數據。

當要發送數據時，上層模塊只需往發送FIFO中寫數據即可，此模塊檢測到發送FIFO非空時，就會將FIFO中數據發送出去；

此模塊會將Uart接收到的數據寫入到接收FIFO中，上層模塊需要去接收FIFO中讀數據以拿到Uart接收到的數據。

四. Uart IP框圖與參數設置

可將Uart收發模塊封裝為IP。

五. 頂層模塊代碼

/*
?*?@Author???????:?Xu?Xiaokang
?*?@Email????????:?XudaKang_up@qq.com
?*?@Date?????????:?2022-05-05?1122
?*?@LastEditors??:?Xu?Xiaokang
?*?@LastEditTime?:?2022-11-09?1124
?*?@Filename?????:
?*?@Description??:
*/

/*
!?模塊功能:?在uart收發模塊外層再封裝一層FIFO，包含發送FIFO與接收FIFO，以解決波特率誤差導致接收位偏移的問題
*?思路:
??1.
*/

module?uartRTUseFIFO
#(
??parameter?CLK_FREQ_MHZ?=?100,
??parameter?BAUD?????????=?115200,?//?波特率,?9600,?19200,?38400,?57600,?115200,?230400,?460800,?921600
??parameter?DATA_BITS????=?8,??????//?數據位寬度,?可選5,?6,?7,?8
??parameter?PARITY???????=?"NONE",?//?校驗?"NONE",?"ODD",?"EVEN",?"MARK",?"SPACE"
??parameter?STOP_BITS????=?1???????//?停止位寬度可選1,?1.5,?2
)(
??//?發送數據?FWFT?FIFO
??input??wire?????????tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty,
??input??wire?[7?:?0]?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout,
??output?wire?????????tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en,

??//?接收數據?FWFT?FIFO
??input??wire?????????rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full,
??output?wire?[7?:?0]?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din,
??output?wire?????????rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en,

??output?wire?rdata_error,?//?接收錯誤

??output?wire?uart_tx,
??input??wire?uart_rx,

??input??wire?clk,
??input??wire?rstn
);


//++?實例化串口收發模塊?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
wire?[DATA_BITS?-?1?:?0]??rdata;???????//?接收到的數據
wire??????????????????????rdata_valid;?//?指示接收數據有效;?高電平有效

wire?[DATA_BITS?-?1?:?0]??tdata;???????//?要發送的數據
wire??????????????????????tdata_valid;?//?指示發送數據有效;?此信號上升沿有效
wire??????????????????????uart_tx_ready;?//?發送準備就緒

uartTx?#(
??.CLK_FREQ_MHZ????(CLK_FREQ_MHZ???),
??.BAUD????????????(BAUD???????????),
??.DATA_BITS???????(DATA_BITS??????),
??.PARITY??????????(PARITY?????????),
??.STOP_BITS???????(STOP_BITS??????)
)?uartTx_dut???????(
??.tdata???????????(tdata??????????),
??.tdata_valid?????(tdata_valid????),
??.uart_tx_ready???(uart_tx_ready??),
??.uart_tx?????????(uart_tx????????),
??.clk?????????????(clk????????????),
??.rstn????????????(rstn???????????)
);


uartRx?#(
??.CLK_FREQ_MHZ????(CLK_FREQ_MHZ???),
??.BAUD????????????(BAUD???????????),
??.DATA_BITS???????(DATA_BITS??????),
??.PARITY??????????(PARITY?????????),
??.STOP_BITS???????(STOP_BITS??????)
)?uartRx_dut???????(
??.rdata???????????(rdata??????????),
??.rdata_valid?????(rdata_valid????),
??.rdata_error?????(rdata_error????),
??.uart_rx?????????(uart_rx????????),
??.clk?????????????(clk????????????),
??.rstn????????????(rstn???????????)
);
//--?實例化串口收發模塊?------------------------------------------------------------


//++?發送數據FIFO接口連接?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
assign?tdata?=?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout[DATA_BITS?-?1?:?0];

reg?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en_temp;
always?@(posedge?clk)?begin
??tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en_temp?<=?uart_tx_ready?&&?tdata_valid;
end

assign?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en?=?~tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty?&&?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en_temp;

assign?tdata_valid?=?~tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty;
//--?發送數據FIFO接口連接?------------------------------------------------------------


//++?接收數據FIFO接口連接?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
reg?rdata_valid_r1;
always?@(posedge?clk)?begin
??rdata_valid_r1?<=?rdata_valid;
end

assign?rdata_valid_pedge?=?rdata_valid?&&?~rdata_valid_r1;

assign?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en?=?~rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full?&&?rdata_valid_pedge;
assign?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din?=?rdata;
//--?接收數據FIFO接口連接?------------------------------------------------------------


endmodule

六. 回環測試示例

回環測試頂層模塊代碼：

/*
?*?@Author???????:?Xu?Xiaokang
?*?@Email????????:?xuxiaokang_up@qq.com
?*?@Date?????????:?2022-10-31?1645
?*?@LastEditors??:?Xu?Xiaokang
?*?@LastEditTime?:?2022-11-09?1146
?*?@Filename?????:
?*?@Description??:
*/

/*
!?模塊功能:?uart收發，實現環路測試，即將接收到的數據發出來
*?思路:
??1.
*/

module?uartLoopTop
(
??input??logic?uart_rx,
??output?logic?uart_tx,

??input?logic?fpga_input_clk_p,
??input?logic?fpga_input_clk_n,
??input?logic?rstn
);


//++?時鐘與復位?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
logic?clk;
clk_wiz_0??clk_wiz_0_u0?(
??.clk_in1_p?(fpga_input_clk_p),
??.clk_in1_n?(fpga_input_clk_n),
??.clk_out1??(clk????????)
);
//--?時鐘與復位?------------------------------------------------------------


//?++?參數設置?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
localparam?CLK_FREQ_MHZ?=?100;
localparam?BAUD?????????=?115200;?//?波特率,?9600,?19200,?38400,?57600,?115200,?230400,?460800,?921600
localparam?DATA_BITS????=?8;??????//?數據位寬度,?可選5,?6,?7,?8
localparam?PARITY???????=?"ODD";??//?校驗?"NONE",?"ODD",?"EVEN",?"MARK",?"SPACE"
localparam?STOP_BITS????=?2;??????//?停止位寬度,?可選1,?1.5,?2
//?--?參數設置?------------------------------------------------------------


//++?實例化uart模塊?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
(*?mark_debug?*)?logic?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full;
(*?mark_debug?*)?logic?[7?:?0]?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din;
(*?mark_debug?*)?logic?rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en;
(*?mark_debug?*)?logic?rdata_error;

(*?mark_debug?*)?logic?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty;
(*?mark_debug?*)?logic?[7?:?0]?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout;
(*?mark_debug?*)?logic?tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en;

uartRTUseFIFO?#(
??.CLK_FREQ_MHZ?(CLK_FREQ_MHZ),
??.BAUD?????????(BAUD),
??.DATA_BITS????(DATA_BITS),
??.PARITY???????(PARITY),
??.STOP_BITS????(STOP_BITS)
)?uartRTUseFIFO_u0?(
??.rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full??(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full?),
??.rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din???(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din??),
??.rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en?(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en),
??.rdata_error???????????????????(rdata_error??????????????????),
??.tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty?(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty),
??.tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout??(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout?),
??.tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en?(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en),
??.uart_tx???????????????????????(uart_tx??????????????????????),
??.uart_rx???????????????????????(uart_rx??????????????????????),
??.clk???????????????????????????(clk??????????????????????????),
??.rstn??????????????????????????(rstn?????????????????????????)
);
//--?實例化uart模塊?------------------------------------------------------------


//++?實例化FWFT?FIFO?++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
cclk_fwft_fifo_8w1024d?cclk_fwft_fifo_8w1024d_u0?(
??.clk???(clk??),?//?input?wire?clk
??.srst??(~rstn?),?//?input?wire?srst

??.din???(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_din??),?//?input?wire?[7??:?0]?din
??.wr_en?(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_wr_en),?//?input?wire?wr_en
??.full??(rx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_full?),?//?output?wire?full

??.rd_en?(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_rd_en),?//?input?wire?rd_en
??.dout??(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_dout?),?//?output?wire?[7?:?0]?dout
??.empty?(tx_cclk_fwft_fifo_8wxxd_empty)??//?output?wire?empty
);
//--?實例化FWFT?FIFO?------------------------------------------------------------


endmodule

測試用的FPGA板卡：明德揚MP5620，板上串口轉USB芯片為SILICON LABS公司的CP2102-GM，其支持的串口協議如下圖所示：

使用的串口上位機工具：正點原子XCOM V2.6。

需要特別注意的是：上位機的波特率與Verilog模塊設置的波特率是有一定差距的，這個差距的原因可能是上位機設置的波特率不準，也可能是因為波特率設置是整數時鐘分頻得到的，無法精確到小數位，所以上位機和Verilog模塊間uart的波特率并不是嚴格一致的，可能是115200與115201的區別，正常情況這么小的差距數據也能被正常識別。但是XCOM在一次性發送多幀時，兩幀之間是沒有任何間隔的，這使得在連續傳輸多幀后，接收數據錯位。

測試界面如下：

在115200波特率，8數據位，ODD校驗，2停止位的條件下，回環測試通過。接著更改參數（需要USB轉串口的芯片支持該組參數），進行其它條件下的試驗，均無問題。

在連續發送10萬個字節數據時，仍能返回正確的數據，這是因為加入了FIFO，波特率誤差被FIFO緩沖消除了，如果不加FIFO且無間隔的發送數據，則連續發送10幾個數據就可能發生接收錯位，使得返回數據與發送數據不一致。

編輯：黃飛

?