Verilog实现UART之一：接收模块

1.UART的帧格式

　　异步串行数据的一般格式是：起始位+数据位+停止位，其中起始位1位，8位数据位，奇校验、偶校验或无校验位；停止位可以是1、2位，LSB first：

2.接收原理：

　　由于UART是异步传输，没有传输同步时钟。为了能保证数据传输的正确性，采样模块利用16倍数据波特率的时钟进行采样，假设波特率为115200，则采样时钟为clk16x=115200×16。每个数据占据16个采样时钟周期，1bit起始位+8bit数据为+1bit停止位=10bit，因此一帧共占据16×10=160个采样时钟，考虑到每个数据为可能有1-2个采样时钟周期的便宜，因此将各个数据位的中间时刻作为采样点，以保证采样不会滑码或误码。一般UART一帧的数据位数为8，这样即使每个数据有一个时钟的误差，接收端也能正确地采样到数据。因此，采样时刻为24(跳过起始位的16个时钟)、40、56、72、88、104、120、136、152(停止位)，如下图所示：

其中，RX为接收引脚，CNT为对采样时钟进行计数的计数器；

3.代码实现：
/******************************************************************************
*
* Module : rx_module
* File Name : rx_module.v
* Author : JC_Wang
* Version : 1.0
* Date : 2012/12/5
* Description : UART接收模块
*
*
********************************************************************************/

module rx_module(
input GClk, /* system topest clock */
input clk16x, /* sample clock,16×115200 */
input rst_n, /* glabol reset signal */
input rx, /* serial data in */
output reg DataReady, /* a complete byte has been received */
output reg[7:0] DataReceived /* Bytes received */
);

/* 捕获rx的下降沿，即起始信号 */
reg trigger_r0;
wire neg_tri;
always@(posedge GClk or negedge rst_n) /*下降沿使用全局时钟来捕获的，其实用clk16x来捕获也可以*/
begin
if(!rst_n)
begin
trigger_r0<=1'b0;
end
else
begin
trigger_r0<=rx;
end
end

assign neg_tri = trigger_r0 & ~rx;

//----------------------------------------------
/* counter control */
reg cnt_en;
always@(posedge GClk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
cnt_en<=1'b0;
else if(neg_tri==1'b1) /*如果捕获到下降沿，则开始计数*/
cnt_en<=1'b1;
else if(cnt==8'd152)
cnt_en<=1'b0;

end
//---------------------------------------------
/* counter module ，对采样时钟进行计数 */
reg [7:0] cnt;
always@(posedge clk16x or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
cnt<=8'd0;
else if(cnt_en)
cnt<=cnt+1'b1;
else
cnt<=8'd0;

end
//---------------------------------------------
/* receive module */
reg StopBit_r;
always@(posedge clk16x or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
DataReceived<=8'b0;
end
else if(cnt_en)
case(cnt)
8'd24: DataReceived[0] <= rx; /*在各个采样时刻，读取接收到的数据*/
8'd40: DataReceived[1] <= rx;
8'd56: DataReceived[2] <= rx;
8'd72: DataReceived[3] <= rx;
8'd88: DataReceived[4] <= rx;
8'd104: DataReceived[5] <= rx;
8'd120: DataReceived[6] <= rx;
8'd136: DataReceived[7] <= rx;

endcase

end

always@(posedge clk16x or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
DataReady<=1'b0;
else if (cnt==8'd152)
DataReady<=1'b1; //接收到停止位后，给出数据准备好标志位
else
DataReady<=1'b0;
end

endmodule

注：

1)采样时钟clk16x必须是波特率的16倍，波特率任意设置如57600、9600等皆可，只要满足16倍关系；

2)此模块经过测试上万字节的接收，从未出错!

3)引入了最高时钟对起始信号下降沿进行捕获，会造成什么不良影响，比如所谓的“时钟满天飞”问题，博主还不清楚，若您有好的讲解，请您发链接给我，在此感谢！

4.如果需要校验位的朋友，可以参考xilinx 公司的参考设计：
`timescale 1 ns / 1 ns

module rcvr (dout,data_ready,framing_error,parity_error,rxd,clk16x,rst,rdn) ;

input rxd ; 　　　　　 　/*数据接收端*/
input clk16x ; 　　　　　　　　 /*采样时钟*/
input rst ; 　　　　　　/*复位信号，高电平有效*/
input rdn ; 　　　　　　 /*数据接收使能，低电平有效*/
output [7:0] dout ; 　　　　 /*数据输出*/
output data_ready ; 　　　　　/*数据接收完毕标志位*/
output framing_error ; 　　　 /*帧错误标志位*/
output parity_error ; 　　/*校验位错误标志位*/

reg rxd1 ;
reg rxd2 ;
reg clk1x_enable ;
reg [3:0] clkdiv ;
reg [7:0] rsr ;
reg [7:0] rbr ;
reg [3:0] no_bits_rcvd ;

reg data_ready ;

reg parity ;
reg parity_error ;
reg framing_error ;

wire clk1x ;

assign dout = !rdn ? rbr : 8'bz ; /*在允许接收的情况下，输出接收到的数据，否则保持高阻态*/

/*下降沿捕获模块*/
always @(posedge clk16x or posedge rst)
begin
if (rst)
begin
rxd1 <= 1'b1 ;
rxd2 <= 1'b1 ;
end
else
begin
rxd1 <= rxd ;
rxd2 <= rxd1 ;
end
end

always @(posedge clk16x or posedge rst)
begin
if (rst)
clk1x_enable <= 1'b0;
else if (!rxd1 && rxd2) /*如果捕获到下降沿，则开始计数*/
clk1x_enable <= 1'b1 ;
else if (no_bits_rcvd == 4'b1100)
clk1x_enable <= 1'b0 ;
end

/*数据准备好标志位的控制模块*/
always @(posedge clk16x or posedge rst or negedge rdn)
begin
if (rst)
data_ready = 1'b0 ;
else if (!rdn)
data_ready = 1'b0 ;
else
if (no_bits_rcvd == 4'b1011)
data_ready = 1'b1 ;
end

/*计数模块，产生一个对clk16x进行16分频的时钟信号，用该信号的上升沿进行采样 */
always @(posedge clk16x or posedge rst)
begin
if (rst)
clkdiv = 4'b0000 ;
else if (clk1x_enable)
clkdiv = clkdiv +1 ;
end

assign clk1x = clkdiv[3] ;

/*对clk1x进行计数*/
always @(posedge clk1x or posedge rst or negedge clk1x_enable)
if (rst)
　　no_bits_rcvd = 4'b0000;
else
　　if (!clk1x_enable)
　　　　no_bits_rcvd = 4'b0000 ;
　　else
　　　　no_bits_rcvd = no_bits_rcvd + 1 ;

/*采样进程*/
always @(posedge clk1x or posedge rst)
if (rst)
begin
rsr <= 8'b0 ;
rbr <= 8'b0 ;
parity <= 1'b1 ;
parity_error = 1'b0 ;
end
else
begin
if (no_bits_rcvd >= 4'b0001 && no_bits_rcvd <= 4'b1001)
　　　　begin
　　　　　　rsr[0] <= rxd2 ;
　　　　　　rsr[7:1] <= rsr[6:0] ; //数据左移
　　　　　　parity <= parity ^ rsr[7] ; //校验位
　　　　end
　　　　else if (no_bits_rcvd == 4'b1010)
　　　　begin
　　　　　　rbr <= rsr ; //输出接收到的数据
　　　　end
　　　　else if (!parity)
　　　　　　parity_error = 1'b1 ; //判断校验位是否正确
　　 else if ((no_bits_rcvd == 4'b1011) && (rxd2 != 1'b1))//判断是否收到停止位，否则给出帧错误信号
　　　　　　framing_error = 1'b1 ;
　　　　else framing_error = 1'b0 ;
　　　　end
endmodule