基于Verilog简易UART的FPGA/CPLD实现

测试平台：MACHXO640
可编程语言：Verilog
随机测试：是
波特率：9600
误码率：<1%oooooo

目标：在xo640上实现一个简单的Uart，能够解析串口数据，并在寄存器中存储，用FIFO实现数据的传递。那么后期可以通过开发板上的串口经CPLD访问各种数据。比如PC=CPLD=EEPROM等等，极大方便后期的开发和调试。

因为不是实现一个完整的UART，而是其核心功能Tx、Rx，并且是被动的。参照网上实例，一个叫特权的blog。网上已经很多源代码，可以借鉴与学习。

       下面介绍一下重点：
1、Speed波特率及采样设置
    这里的原理是：根据实际的波特率和板卡所使用的晶振频率，在容许的误差范围内（串口有一定的容错率）进行分频。这里强调一点，做法可以分为以下两类：分频与不分频。分频，就是采用baudrate_clock的整数倍频率采样；不分频就是直接global_clock/baudrate_clock，取整，以中间采样点作为串口电平判决点（可以3点采样）。前者的误差范围可能更小，但是软件分频受外界影响大。这里直接采用主时钟来采样，探究UART的FPGA/CPLD实现。

       通过示波器得出以下结论:

1、串口发送起始位为“0”；

2、串口发送接收位为“1”；

3、数据从高→低位发送；

本机测试，结束位是1位。1位速度稍快，2位更可靠。实际传输是以字节为单位的，若是8bit数据，那么实际就是1+8+1=10位数据。

2、Tx发送设计
下面是接收滤波，同时可以判断起始位下降沿：

assign neg_rs232_rx = rs232_rx2 & ~rs232_rx1;        //接收到下降沿后neg_rs232_rx置高一个时钟周期

       FIFO数据寄存是接收的主要功能：接收到的直接存高位，移位向低位移动。

    begin                                                //接收数据处理

           if(clk_bps) begin//读取并保存数据,接收数据为一个起始位，8bit数据，一个结束位

                  rx_data_shift <= 1'b1;

                  num <= num+1'b1;

                  if(num<=4'd8) rx_temp_data[7] <= rs232_rx;//锁存9bit（1bit起始位，8bit数据）

           end

           else if(rx_data_shift) begin    //数据移位处理

                  rx_data_shift <= 1'b0;

                  if(num<=4'd8) rx_temp_data <= rx_temp_data >> 1'b1;    

//移位8次，第1bit起始位移除，剩下8bit正好时接收数据

                  else if(num==4'd10) begin

                         num <= 4'd0;                //接收到STOP位后结束,num清零

                         rx_data_r <= rx_temp_data;         //把数据锁存到数据寄存器rx_data中

                  end

           end

    end

3、Rx接收设计
发送主要考虑到的是接收数据的提取和发送，特别注意的是起始位和结束位的正确赋值。以下是核心代码：

                     if(clk_bps)      begin

                     num <= num+1'b1;

                     case (num)

                            4'd0:       rs232_tx_r <= 1'b0;             //发送起始位

                            4'd1:       rs232_tx_r <= tx_data[0];     //发送bit0

                            4'd2:       rs232_tx_r <= tx_data[1];     //发送bit1

                            4'd3:       rs232_tx_r <= tx_data[2];     //发送bit2

                            4'd4:       rs232_tx_r <= tx_data[3];     //发送bit3

                            4'd5:       rs232_tx_r <= tx_data[4];     //发送bit4

                            4'd6:       rs232_tx_r <= tx_data[5];     //发送bit5

                            4'd7:       rs232_tx_r <= tx_data[6];     //发送bit6

                            4'd8:       rs232_tx_r <= tx_data[7];     //发送bit7

                            4'd9:       rs232_tx_r <= 1'b1;                     //发送结束位

                            default: rs232_tx_r <= 1'b1;

                     endcase

注：重要的几个问题需要说明一下
1、可以结合自己的时钟频率修改clk，而bps_para=clk/baud。
2、另外通过示波器可以发现，结束电平为1bit，那么num=12必须都改为10，这样可以解决不能发送字符串的问题！
3、发送结束位必须是1，就是高电平，1bit。