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

　　以前在學(xué)單片機(jī)的時(shí)候，覺(jué)得串口通信其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要一個(gè)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(shí)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)里面的學(xué)問(wèn)還不少，并沒(méi)有想象的那么簡(jiǎn)單。當(dāng)然代碼肯定是參考別人的，不過(guò)我還是認(rèn)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(shí)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(duì)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(gè)模塊里，那樣看起來(lái)很麻煩，出了錯(cuò)誤也不好維護(hù)，對(duì)于一些小的程序我們可以寫在一個(gè)模塊里，但程序一旦復(fù)雜起來(lái)還是要懂得模塊化編程的，對(duì)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(gè)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(hào)里面的接口是我們頂層文件的接口，括號(hào)外面的是我們調(diào)用底層模塊的接口，這些接口要一一對(duì)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(lái)接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出接口，用于發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)鐘接口，和復(fù)位接口。這四個(gè)接口是有輸入輸出關(guān)系的，對(duì)于其他的接口，是屬于我們整個(gè)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(jī)或者計(jì)算機(jī)在串口通信時(shí)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(jì)數(shù)到5027，在這里算一下。

　　1秒傳送9600位，那么傳送一位的時(shí)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(shí)鐘周期為20ns，因此需要計(jì)數(shù)到104166/20=5028個(gè)時(shí)鐘周期

　　下面是串口通信時(shí)序圖

　　我再來(lái)解釋一下這個(gè)圖吧，我當(dāng)時(shí)學(xué)單片機(jī)的時(shí)候還真是沒(méi)怎么重視這張圖，只知道只要一個(gè)指令就可以發(fā)送，沒(méi)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(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間進(jìn)行通信，這里用的是rs232通信方式，即通信之前，計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之前要設(shè)定好相同的波特率，只有波特率相同了才能進(jìn)行通信。

　　其次，計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)要先發(fā)送一個(gè)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(yàn)位，停止位等，當(dāng)起始位低電平信號(hào)傳送到我們的接收端口時(shí)，在接收模塊中會(huì)發(fā)送一個(gè)命令給波特率時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)到一半的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)采樣高脈沖信號(hào)，當(dāng)接收模塊檢測(cè)到這個(gè)高脈沖之后就會(huì)將數(shù)據(jù)存到寄存器中，當(dāng)檢測(cè)到第11個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，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(gè)停止信號(hào)告訴它停止計(jì)時(shí)。同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢之后也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)告訴發(fā)送模塊，信號(hào)已經(jīng)接收完畢，準(zhǔn)備發(fā)送，這個(gè)時(shí)候發(fā)送模塊再給波特率計(jì)時(shí)模塊發(fā)送一個(gè)信號(hào)開始計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)到某一位的中間時(shí)產(chǎn)生一個(gè)采樣信號(hào)，當(dāng)發(fā)送模塊檢測(cè)到采樣信號(hào)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

　　下面是波特率計(jì)時(shí)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(cè)計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)起始位的那個(gè)低電平信號(hào)，用到了邊沿脈沖檢測(cè)法，可以有效的避免毛刺現(xiàn)象帶來(lái)的問(wèn)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(diǎn)就是接收模塊通過(guò)邊沿檢測(cè)法檢測(cè)起始位低電平信號(hào)來(lái)啟動(dòng)接收數(shù)據(jù)，而發(fā)送模塊是通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，我們認(rèn)為的置一個(gè)低電平信號(hào)，發(fā)送模塊通過(guò)檢測(cè)這個(gè)低電平信號(hào)來(lái)啟動(dòng)發(fā)送。見下圖

　　下面是生成的RTL視圖

　　下面是測(cè)試結(jié)果