零基礎(chǔ)學(xué)FPGA（九）牛刀小試——串行口通信電路設(shè)計

　　以前在學(xué)單片機的時候，覺得串口通信其實很簡單，只要一個指令數(shù)據(jù)就能輕易的接收或者發(fā)送。前幾天試著用FPGA實現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)里面的學(xué)問還不少，并沒有想象的那么簡單。當(dāng)然代碼肯定是參考別人的，不過我還是認真研究了整段代碼的，下面的程序就是我在看懂了別人代碼后自己敲的，花了也不少時間，理解的也差不多，下面我就在這里給那些和我一樣的初學(xué)者介紹一下吧，解釋的不對的地方還望各位大神指正，大家好一起學(xué)習(xí)~

　　1、頂層模塊

　　寫程序都一樣，不能多有的程序都寫在一個模塊里，那樣看起來很麻煩，出了錯誤也不好維護，對于一些小的程序我們可以寫在一個模塊里，但程序一旦復(fù)雜起來還是要懂得模塊化編程的，對于頂層模塊，最好是只寫接口就好了，例如：

　　這段代碼中，rx_232是我們的底層模塊名，后面跟著的那個rx呢是我們自己取的名字，是任意的。后面的一大串呢就是接口，為了直觀呢，建議大家采用我的這種寫法，看上去比較清楚明白，括號里面的接口是我們頂層文件的接口，括號外面的是我們調(diào)用底層模塊的接口，這些接口要一一對應(yīng)正確才能保證數(shù)據(jù)之間的傳輸。

　　在頂層模塊中，我們只定義了數(shù)據(jù)輸入接口，用來接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出接口，用于發(fā)送數(shù)據(jù)，時鐘接口，和復(fù)位接口。這四個接口是有輸入輸出關(guān)系的，對于其他的接口，是屬于我們整個模塊內(nèi)部的接口，是模塊與模塊之間的接口，既非輸入，也非輸出，相當(dāng)于一根導(dǎo)線一樣，所以我們把他們定義成wire型變量

　　2、波特率選擇模塊

　　單片機或者計算機在串口通信時的傳輸速率用波特率表示，9600bps表示的就是每秒鐘傳送9600位的數(shù)據(jù)

　　這里之所以計數(shù)到5027，在這里算一下。

　　1秒傳送9600位，那么傳送一位的時間就可以算出，即1s=1000_000_000ns，所以傳送一位數(shù)據(jù)需要1000_000_000/9600=

　　104166ns，而我們的時鐘周期為20ns，因此需要計數(shù)到104166/20=5028個時鐘周期

　　下面是串口通信時序圖

　　我再來解釋一下這個圖吧，我當(dāng)時學(xué)單片機的時候還真是沒怎么重視這張圖，只知道只要一個指令就可以發(fā)送，沒有真正搞清楚是怎么發(fā)送和接受的，那就在這里復(fù)習(xí)一下吧

　　計算機和單片機之間進行通信，這里用的是rs232通信方式，即通信之前，計算機和單片機之前要設(shè)定好相同的波特率，只有波特率相同了才能進行通信。

　　其次，計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時要先發(fā)送一個起始位，一般是低電平，后面跟著的是8位數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位，停止位等，當(dāng)起始位低電平信號傳送到我們的接收端口時，在接收模塊中會發(fā)送一個命令給波特率時鐘計數(shù)器，開始計時，計時到一半的時候會產(chǎn)生一個采樣高脈沖信號，當(dāng)接收模塊檢測到這個高脈沖之后就會將數(shù)據(jù)存到寄存器中，當(dāng)檢測到第11個脈沖信號時，也就是代表一幀的數(shù)據(jù)接收完畢，發(fā)送模塊就給波特率選擇模塊發(fā)送一個停止信號告訴它停止計時。同時，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢之后也會產(chǎn)生一個信號告訴發(fā)送模塊，信號已經(jīng)接收完畢，準(zhǔn)備發(fā)送，這個時候發(fā)送模塊再給波特率計時模塊發(fā)送一個信號開始計時，計數(shù)到某一位的中間時產(chǎn)生一個采樣信號，當(dāng)發(fā)送模塊檢測到采樣信號之后就將寄存器里的數(shù)據(jù)送到發(fā)送端，每次只送一位，這樣就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

　　下面是波特率計時模塊的主要程序部分

　　3、數(shù)據(jù)接收模塊

　　在接收模塊中，為了準(zhǔn)確的檢測計算機發(fā)送來的數(shù)據(jù)起始位的那個低電平信號，用到了邊沿脈沖檢測法，可以有效的避免毛刺現(xiàn)象帶來的問題

　　下面是發(fā)送部分的主要程序段

　　4、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

　　發(fā)送模塊原理上和接受模塊是一樣的，不同點就是接收模塊通過邊沿檢測法檢測起始位低電平信號來啟動接收數(shù)據(jù)，而發(fā)送模塊是通過檢測數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，我們認為的置一個低電平信號，發(fā)送模塊通過檢測這個低電平信號來啟動發(fā)送。見下圖

　　下面是生成的RTL視圖

　　下面是測試結(jié)果