UART协议以及verilog实现_uart verilog读写

作者：不正经 | 2024-05-29 08:43:04

踩

uart verilog读写

uart介绍

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 是一种常用的串行通讯协议，用于数据在电子设备之间的传输和通讯。它是一种异步数据传输协议，在通讯时不需要发送方和接收方之间的时钟信号同步。

uart的工作过程

UART 协议通常使用两条线路进行通讯，一条用于数据传输（TX），一条用于数据接收（RX）。uart的传输格式如下：(TX跟RX均为一位)

空闲状态：空闲状态时，uart传输位始终保持高电平状态

起始位：uart传输位拉低一个低电平并且持续一个周期，传输开始

数据传输状态：uart实际要传输的数据位数，可以是 5、6、7 或 8 位。

奇偶校验状态：是可选的，可以选择奇校验还是偶校验，用于数据的验证，通常为 0 （即不使用奇偶校验）或 1 位。

奇校验：数据1个数为奇时，校验为0，反之为1；

偶校验：数据0个数为奇时，校验为0，反之为1；

停止位状态：用于标识数据传输的结束位置，通常为 1 或 2 位。uart传输位恢复高电平

uart的verilog实现

本次的实验代码使用的数据传输位数为8位，奇偶校验位数为1位，停止位为1位

uart_tx模块

uart_tx模块主要是负责将要传输的八位数据进行并串转化，输出八个单bit数据，优先输出高位uart的发送端模块分为空闲状态，开始状态，传输数据状态，奇偶校验状态和停止模块。状态图如下：

verilog代码如下：


module uart_tx(
    input            sysclk ,
    input            rst_n  ,
    input      [7:0] tx_data,
    input            tx_en  ,
    output reg       tx     ,
    output reg       tx_done
);
 
parameter  CLK_FREQ  = 50000000         ;            //
parameter  UART_BPS  = 9600             ;                
localparam BPS_CNT   = CLK_FREQ/UART_BPS;//每个数据位占用的周期 
parameter  EVEN_ODD_CHECK = 1           ;
 
parameter IDLE =5'b00001;
parameter START=5'b00010;
parameter DATA =5'b00100;
parameter CHECK=5'b01000;
parameter DONE =5'b10000;
reg [4:0]  state      ;
reg        tx_flag    ;//数据正在传输
reg [3:0]  tx_cnt     ;//数据传输位计数器，
reg [15:0] data_cnt   ;
reg check_flag;
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
  if(rst_n==1'b0)
    data_cnt<=16'd0        ;
  else if(data_cnt==BPS_CNT)
    data_cnt<=16'd0        ;
  else if(tx_en==1'b1)
    data_cnt<=data_cnt+1'b1;
  else
    data_cnt<=data_cnt     ;    
end
 
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
  if(rst_n==1'b0)
    tx_cnt<=4'd0       ;
  else if(tx_cnt==4'd11)
    tx_cnt<=4'd0       ;
  else if ((tx_en==1'b1)&&(data_cnt==BPS_CNT))
    tx_cnt<=tx_cnt+1'b1;
  else
    tx_cnt<=tx_cnt     ;    
    end
 
always @(posedge sysclk or negedge rst_n ) 
    if(rst_n==1'b0) begin
        state<=IDLE;
    end
    else  
    case (state)
        IDLE: begin
          if((tx_en==1'b1)&&(tx_cnt==4'd1))
            state<=START;
            else 
            state<=IDLE;
        end
        START :begin
          if(tx_cnt==4'd2)
          state<=DATA;
          else
          state<=START;
        end
        DATA:begin
          if(tx_cnt==4'd10)
          state<=CHECK;
          else
          state<=DATA;
             end
        CHECK:begin
          if(check_flag)
          state<=DONE;
          else 
          state<=CHECK;
              end   
        DONE:begin    
          if(tx_done==1'b1)
          state<=IDLE;
          else
          state<=DONE;     
        end  
        default  begin
            state<=IDLE;
        end
        endcase
 
always @(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
   if(rst_n==1'b0)
   tx_flag<=1'b0;
   else if (state==DATA)
   tx_flag<=1'b1;
   else 
   tx_flag<=tx_flag;
   end
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
 if (rst_n==1'b0)
   tx_done<=1'b0;
 else if ((state==DONE)&&(data_cnt==BPS_CNT))
   tx_done<=1'b1;
 else 
   tx_done<=1'b0;
end
reg [7:0] data;
reg [2:0] cnt;
reg check;
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
  if(rst_n==1'b0)
  tx<=1'b1;
  else if(state==IDLE)        
  tx<=1'b1;
  else if(state==START)
  tx<=1'b0;
  else if(state==DATA)
  tx<=data[7-cnt];
  else if(state==CHECK)
  tx<=check;
  else if(state==DONE)
  tx<=1'b1;
  else 
  tx<=tx;
                                     end
 
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
  if(rst_n==1'b0)
  data<=8'd0;
  else if (state==START)
  data<=tx_data;
  else
  data<=data;
end
 
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
  if(rst_n==1'b0)
    cnt<=3'd0;
  else 
    case(tx_cnt)
    4'd0:cnt<=3'd0;
    4'd1:cnt<=3'd0;
    4'd2:cnt<=3'd1;
    4'd3:cnt<=3'd2;
    4'd4:cnt<=3'd3;
    4'd5:cnt<=3'd4;
    4'd6:cnt<=3'd5;
    4'd7:cnt<=3'd6;
    4'd8:cnt<=3'd7;
    4'd9:cnt<=3'd0;
    4'd10:cnt<=3'd0;
    default begin
      cnt<=cnt;
    end
    endcase
                                  end
 
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
  if(rst_n==1'b0)
    check_flag<=1'b0;
   else if ((data_cnt==BPS_CNT)&&(state==CHECK))
   check_flag<=1'b1;
   else
   check_flag<=1'b0;
   end  
 
reg even_check;
reg odd_check;
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) 
  if(rst_n==1'b0) begin
    even_check<=1'b0;
    odd_check <=1'b0;
  end
  else if(tx==1'b1) begin
    even_check<=^tx_data;
    odd_check<=~^tx_data;  
  end
  else begin
  even_check<=even_check;
  odd_check<=odd_check;
end  
 
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
  if(rst_n==1'b0)
    check<=1'b0;
  else if(tx_en==1'b1&&EVEN_ODD_CHECK==1'b1)  
    check<=even_check;
  else if(tx_en==1'b1&&EVEN_ODD_CHECK==1'b0)
    check<=odd_check;
  else 
    check<=check;
end    
endmodule

uart_rx模块

uart接收模块负责将接收到的单bit数据进行串并转化，输出一个8位的数据，先传输过来的数据放在高位。uart的发送端模块分为空闲状态，开始状态，传输数据状态，奇偶校验状态和停止模块。状态图如下：

verilog代码如下：


module uart_rx(
    input           sysclk ,
    input           rst_n  ,
    input           tx     ,
    input           tx_done,
    output reg[7:0] rx_data,
    output reg      error  ,
    output reg      rx_done
);
 
parameter   CLK_FREQ       = 50000000         ;            //
parameter   UART_BPS       = 9600             ;                
localparam  BPS_CNT        = CLK_FREQ/UART_BPS;//每个数据位占用的周期 
parameter   EVEN_ODD_CHECK = 1                ;
 
parameter IDLE =5'b00001;
parameter START=5'b00010;
parameter DATA =5'b00100;//接收数据
parameter CHECK=5'b01000;
parameter DONE =5'b10000;
reg [4:0]state;
reg [15:0] data_cnt   ;//计数到BPS_CNT
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
  if(rst_n==1'b0)
    data_cnt<=16'd0        ;
  else if(data_cnt>BPS_CNT)
    data_cnt<=16'd0        ;
  else if(data_cnt<BPS_CNT)
    data_cnt<=data_cnt+1'b1;
  else
    data_cnt<=data_cnt     ;    
    end
reg [3:0] rx_cnt;//每到bps_cnt计数
always@(posedge sysclk or negedge rst_n)begin
  if(rst_n==1'b0)
    rx_cnt<=4'd0       ;
  else if(rx_cnt==4'd11)
    rx_cnt<=4'd0       ;
  else if (data_cnt==BPS_CNT)
    rx_cnt<=rx_cnt+1'b1;
  else
    rx_cnt<=rx_cnt     ;    
    end
 
reg start_end;
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
  if(rst_n==1'b0)
  start_end<=1'b0;
  else if((state==START)&&(data_cnt==BPS_CNT))
  start_end<=1'b1;
  else 
  start_end<=start_end;  
  end
reg check_flag;
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n==1'b0)
      check_flag<=1'b0;
     else if ((data_cnt==BPS_CNT)&&(state==CHECK))
     check_flag<=1'b1;
     else
     check_flag<=1'b0;
     end  
     
reg [2:0]cnt;
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n==1'b0)
      cnt<=3'd0;
    else 
      case(rx_cnt)
      4'd0:cnt<=3'd0;
      4'd1:cnt<=3'd0;
      4'd2:cnt<=3'd1;
      4'd3:cnt<=3'd2;
      4'd4:cnt<=3'd3;
      4'd5:cnt<=3'd4;
      4'd6:cnt<=3'd5;
      4'd7:cnt<=3'd6;
      4'd8:cnt<=3'd7;
      4'd9:cnt<=3'd0;
      4'd10:cnt<=3'd0;
      default begin
        cnt<=cnt;
      end
      endcase
      end
reg data_done;//当state==data，cnt=7时拉�?
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n==1'b0)
      data_done<=1'b0;
     else if (cnt==3'd7&&state==DATA)
      data_done<=1'b1;
     else
      data_done<=1'b0;
     end  
 
 //state
reg check;
always @(posedge sysclk or negedge rst_n ) 
    if(rst_n==1'b0) begin
        state<=IDLE;
    end
    else  
    case (state)
        IDLE: begin
          if(tx_done)
            state<=START;
            else 
            state<=IDLE;
        end
        START :begin
          if(start_end)
          state<=DATA;
          else
          state<=START;
        end
        DATA:begin
          if(data_done)
          state<=CHECK;
          else
          state<=DATA;
             end
        CHECK:begin
          if(check_flag)
          state<=DONE;
          else 
          state<=CHECK;
              end   
        DONE:begin    
          if(rx_done==1'b1)
          state<=IDLE;
          else
          state<=DONE;     
        end  
        default  begin
            state<=IDLE;
        end
        endcase
 
reg [7:0]shift_reg;     
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n==1'b0)
    shift_reg<=8'd0;
    else if((state==DATA)&&(data_cnt==BPS_CNT))
    shift_reg<={tx,shift_reg[7:1]};
    else
    shift_reg<=shift_reg;    
end    
    
always@(posedge sysclk or negedge rst_n) 
    if(rst_n==1'b0) begin
     rx_data<=8'd0;
     rx_done<=1'b0;
    end
    else if(state==DATA&&rx_cnt==3'd7) begin
     rx_data<=shift_reg;
     rx_done<=1'b1;
    end
    else begin
     rx_data<=rx_data;
     rx_done<=rx_done;
    end 
    
reg even_check;
reg odd_check;
    always@(posedge sysclk or negedge rst_n) 
      if(rst_n==1'b0) begin
        even_check<=1'b0;
        odd_check <=1'b0;
      end
      else if(tx==1'b1) begin
        even_check<=^rx_data;
        odd_check<=~^rx_data;  
      end
      else begin
      even_check<=even_check;
      odd_check<=odd_check;
    end  
   
    always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
      if(rst_n==1'b0)
        check<=1'b0;
      else if(EVEN_ODD_CHECK==1'b1)  
        check<=even_check;
      else if(EVEN_ODD_CHECK==1'b0)
        check<=odd_check;
      else 
        check<=check;
    end        
    always@(posedge sysclk or negedge rst_n) begin
        if(rst_n==1'b0)
        error<=1'b0;
        else if((state==CHECK)&&(tx==check))
        error<=1'b0;
        else if(state==CHECK&&tx!=check)
        error<=1'b1;
        else
        error<=error;
    end
endmodule

uart的top模块


module uart_top(
     input           sysclk ,
     input           rst_n  ,
     input     [7:0]   tx_data,
     input           tx_en  ,     
     output    [7:0] rx_data,
     output          error  ,
     output          rx_done
);
    wire tx_done;
    wire tx     ;
 
    uart_tx uart_tx_u(
    .sysclk (sysclk ),
    .rst_n  (rst_n  ),
    .tx_data(tx_data),
    .tx_en  (tx_en  ),
    .tx     (tx     ),
    .tx_done(tx_done)
    );
 
    uart_rx uart_rx_u(
    .sysclk (sysclk ),
    .rst_n  (rst_n  ),
    .tx     (tx     ),
    .tx_done(tx_done),
    .rx_data(rx_data),
    .error  (error  ),
    .rx_done(rx_done)
    );
 
endmodule

uart的tb模块


module uart_tb();
    reg        sysclk ;
    reg        rst_n  ;
    reg  [7:0] tx_data;
    reg        tx_en  ;
    wire [7:0] rx_data;
    wire       error  ;
    wire       rx_done;
uart_top uart_top_u(
    .sysclk (sysclk ),
    .rst_n  (rst_n  ),
    .tx_data(tx_data),
    .tx_en  (tx_en  ),
    .rx_data(rx_data),
    .error  (error  ),
    .rx_done(rx_done)
);
 
initial begin
    sysclk <=1'b0 ;
    rst_n  <=1'b0 ;
    tx_data<=8'd0 ;
    tx_en  <=1'b0 ;
#10;
    rst_n  <=1'b1 ;
    tx_en  <=1'b1 ;
#15;
   tx_data<=8'd36;
end
always #10sysclk=!sysclk;
endmodule

uart仿真原理图

可以看出，uart_tx模块跟uart_rx模块仅使用两条线路进行通讯

uart仿真波形

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