通信协议：UART的Verilog实现（上）_uart数据发送接收状态机

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通信协议https://blog.csdn.net/weixin_45791458/category_12452508.html?spm=1001.2014.3001.5482

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1、前言

        调制解调器是主机/设备与串行数据通路之间的接口，以串行单比特格式发送和接收数据。它也被称为通用异步收发器(UART, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，这表明该设备能够接收和发送数据，并且发送和接收单元不同步。

        本节中，UART以ASCII码的格式交换文本数据，在ASCII码格式中，每一帧包含1位起始位，5-8位数据位，1位可选的奇偶校验位和1位停止位。在本文的实现中，使用了了7位数据，因此数据格式如下所示。发送时从起始位（低位）开始，向高位逐位发送，每个位持续一个时钟周期（比特位时间），停止位的有效时间则可能会超过一个时钟周期，即两帧之间的间隔可以是多个时钟周期。

Uart传送的ASCII文本数据格式

2、UART的操作

        UART发送器通常是更大系统的一部分，其主机以并行格式取出数据并指定UART以串行格式发送。UART接收器需检测传输情况，以串行格式接收数据，去掉起始位和停止位后以并行格式存储数据。因为远程接收器无法得到数据发送时钟——数据异步到达，接收器会比发送器更复杂。接收器必须重新产生本地时钟而不是用发送时钟来同步数据采样。

        UART的简化结构如下图所示，图中给出了主机用于控制UART以及从数据总线接收或发送数据的信号，但没有给出主机的细节。

3、UART发送器

        下面的框图给出了发送器的输入/输出信号。输入信号由主机提供，包括(Load_XMT_datareg, Byte_ready, T_byte, Data_Bus)而输出信号包括串行数据流(Serial_out)。发送器由控制单元和数据通路构成，控制单元是一个FSM，用于给出控制信号给数据通路；而数据通路包含数据寄存器(XMT_datareg)、数据移位寄存器(XMT_shftreg)和用于计数已发送比特数的状态寄存器(bit_count)。状态寄存器包含在数据通路中。

        发送器的内部信号如下所列。注意，信号Load_XMT_datareg本可以直接送至数据通路，但这里将其送入控制器并在idle状态下根据该信号对Load_XMT_DR进行条件赋值。

        控制单元的输入信号及其作用：

        Load_XMT_datareg：idle状态下由其决定Load_XMT_DR信号的值（用于控制将Data_Bus的内容载入XMT_data_reg）。

        Byte_ready：由其决定Load_XMT_shftreg信号的值（用于控制将XMT_data_reg中的内容载入XMT_shftreg）。

        T_byte：用于决定一帧数据传输的开始（将串行输出拉低）。

        BC_lt_BCmax：用于指示数据移位还未完成（即Bit_count < word_size + 1）。

        控制单元的输出信号及其作用：

        Load_XMT_DR：控制Data_Bus的内容载入XMT_data_reg。

        Load_XMT_shftreg：控制将XMT_data_reg中的内容载入XMT_shftreg。

        Start：控制将XMT_shftreg[0]清零表示输出起始位，传输开始。

        Shift：控制将XMT_shftreg右移一位，并在高位补1（停止位）。

        Clear：控制将bit_count清零。

        发送器控制器的状态机ASMD图如下图所示。该状态机包括idle、waiting和sending三个状态。当低有效的同步复位信号rst_b有效时，状态机进入idle状态，同时bit_count被清零，XMT_shftreg被1填充。在idle状态下，主机在令Load_XMT_datareg有效后，控制器输出信号Load_XMT_DR将Data_bus上的内容载入XMT_data_reg。状态机保持idle状态直到主机使Load_XMT_datareg无效并使Byte_ready信号有效，这时会输出Load_XMT_shftreg并进入waiting状态。Load_XMT_shftreg会控制XMT_datareg中的内容载入XMT_shftreg的最左边的比特位，同时令LSB为1（停止位）。

        T_byte有效后输出start信号，下个时钟沿，状态机进入sending状态，同时XMT_shftreg的LSB清零。此时只要计数值未满，sending状态下会一直输出shift信号，这使得XMT_shftreg的数据右移并高位补1。当计数满时（BC_lt_BCmax==0）时，clear信号有效，表示所有有效数字已输出，此时正在输出最后一位停止位，在下一个时钟沿状态机返回idle状态。

        下面给出UART_XMTR的Verilog HDL描述：

module UART_XMTR #(parameter word_size = 8)(
    output Serial_out,     //Serial output ti data channel
    input [word_size - 1 : 0] Data_Bus, //Host data bus containing data word
    input Load_XMT_datareg,             //Used by host to load the data register
          Byte_ready,                   //Used by host to signal ready
          T_byte,                  //Used by host to signal start of transmission
          Clock,                   //Bit clock of the transmitter
          rst_b                    //Resets internal registers, loads the             
                                   //XMT_shftreg with ones 
);
 
wire BC_lt_BCmax;
wire Load_XMT_DR;
wire Load_XMT_shftreg;
wire start;
wire shift;
wire clear;
 
Controller_Unit M0(
    Load_XMT_DR, Load_XMT_shftreg, start, shift, clear, Load_XMT_datareg,
    Byte_ready, T_byte, BC_lt_BCmax, Clock, rst_b);
 
Datapath_Unit M1(
    Serial_out, BC_lt_BCmax, Data_bus, Load_XMT_DR, Load_XMT_shftreg,
    start, shift, clear, Clock, rst_b);
 
endmodule
 
module Control_Unit #(
    parameter one_hot_count = 3,  //Numbers of one-hot states
              state_count = one_hot_count, //Number of bits in state register
              size_bit_count = 3 //Size of the bit counte
)(
    output reg Load_XMT_DR,  //Loads Data_Bus into XMT_datareg
               Load_XMT_shftreg, //Loads XMT_datareg into XMT_shftreg
               start,        //Launches shifting of bits in XMT_shftreg
               shift,        //Shift bits in XMT_shftreg
               clear,        //Clears bit_count after last bit is sent
    input Load_XMT_datareg,  //Asserts Load_XMT_DR in state idle
          Byte_ready,        //Asserts Load_XMT_shftreg in state idle
          T_byte,            //Asserts start signal in state waiting
          BC_lt_BCmax,       //Indicates status of bit counter 
          Clock,
          rst_b
);
 
    localparam idle = 3'b001,
               waiting = 3'b010,
               sending = 3'b100,
               all_ones = 9'b1_1111_1111;
 
    reg [state_count - 1 : 0] 	state, next_state;  // State machine controller
    
    always@(*)begin
        Load_XMT_DR = 0;
        Load_XMT_shftreg = 0;
        start = 0;
        clear = 0;
        shift = 0;
        next_state = idle;
        case(state)
            idle: if(Load_XMT_datareg == 1'b1)begin
                      Load_XMT_DR = 1;
                      next_state = idle;
                  end
                  else if(Byte_ready == 1'b1)begin
                      Load_XMT_shftreg = 1;
                      next_state = waiting;
                  end
            waiting: if(T_byte == 1)begin
                         start = 1;
                         next_state = sending;
                     end
                     else next_state = waiting;
            sending: if(BC_lt_BCmax == 1)begin
                         shift = 1;
                         next_state = sending;
                     end
                     else begin
                         clear = 1;
                         next_state = idle;
                     end
            default: next_state = idle;
        endcase
    end
 
    always@(posedge Clock, negedge rst_b)begin
        if(rst_b == 0) 
            state <= idle;
        else
            state <= next_state;
    end
endmodule
 
module Datapath_Unit #(
    parameter word_size = 8,
    size_bit_count = 3
)(
    output Serial_out,
           BC_lt_BCmax,
    input [word_size - 1 : 0] Data_bus,
    input Load_XMT_DR,
          Load_XMT_shftreg,
          start,
          shift,
          clear,
          Clock,
          rst_b
);
 
    localparam all_ones = 9'b1_1111_1111;
    reg [word_size - 1 : 0] XMT_datareg; //Transmit Data Register
    reg [word_size : 0] XMT_shftreg;     //Transmit Shift Register
    reg [size_bit_count : 0] bit_count;  //Counts the bits that are transmitted
    assign Serial_out = XMT_shftreg[0];
    assign BC_lt_BCmax = (bit_count < word_size + 1);
    always@(posedge Clock, negedge rst_b)
        if(rst_b == 0)begin
            XMT_shftreg <= all_ones;
            bit_count <= 0;
        end
        else begin
            if(Load_XMT_DR == 1)
                 XMT_datareg <= Data_bus;  //Get the data bus
            if(Load_XMT_shftreg == 1)
                 XMT_shftreg <= {XMT_datareg, 1'b1};//Load shift reg, insert stop             
                                                    //bit
            if(start == 1)XMT_shftreg[0] <= 0;      //Signal start of transmission
            if(clear == 1)bit_count <= 0;
            if(shift == 1)begin
                XMT_shftreg <= {1'b1, XMT_shftreg[word_size : 1]};//Shift right, 
                                                                 //fill with ones
                bit_count <= bit_count + 1;
            end
        end
endmodule

以上内容来源于《Verilog HDL高级数字设计》，有删改