【【UART 传输数据实验】】

UART 传输数据实验

通信方式在日常的应用中一般分为串行通信（serial communication）和并行通信（parallel communication）。
我们再来了解下串行通信的特点。串行通信是指数据在一条数据线上，一比特接一比特地按顺序传送的方式，这一点与并行通信是不同的。这里我们以传输一个字节（8 位）数据为例，在并行通信中，一个字节的数据是在 8 条并行传输线上同时由源地传送到目的地；而在串行通信中，因为数据是在一条传输线上一位接一位地顺序传送的，所以一个字节的数据要分 8 次进行传送。
如果我们以 T 为一个时间单位的话，那么并行通信发送一个字节的数据只需要 1T 的时间，而串行通信需要 8T 的时间，由此可以总结出串行通信的的特点：一是节省传输线，大大降低了使用成本，二是数据传送速度慢，这一点在大位宽的数据传输上尤为明显。综上可知，串行通信主要应用于长距离、低速率的通信场合。本次实验我们主要讲解下串行通信。
串行通信一般有 2 种通信方式：同步串行通信（synchronized serial communication）和异步串行通信（asynchronous serial communication）。同步串行通信需要通信双方在同一时钟的控制下同步传输数据；异步串行通信是指具有不规则数据段传送特性的串行数据传输。在常见的通信总线协议中，I2C，SPI 属于同步通信而 UART 属于异步通信。同步通信的通信双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率，收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。异步通信在发送字符时，发送端可以在任意时刻开始发送字符，所以，在 UART 通信中，数据起始位和停止位是必不可少的。

UART 是一种采用异步串行通信方式的通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver-transmitter），它在发送数据时将并行数据转换成串行数据来传输，在接收数据时将接收到的串行数据转换成并行数据。
UART 串口通信需要两根信号线来实现，一根用于串口发送，另外一根负责串口接收，如下图所示。对于 PC 来说它的 TX 要和对于 FPGA 来说的 RX 连接，同样 PC 的 RX 要和 FPGA 的 TX 连接，如果是两个TX 或者两个 RX 连接那数据就不能正常被发送出去或者接收到，所以这里大家不要弄混。

UART 在发送或接收过程中的一帧数据由 4 部分组成，起始位、数据位、奇偶校验位和停止位

起始位： 当不传输数据时，UART 数据传输线通常保持高电压电平。若要开始数据传输，发送 UART 会将传输线从高电平拉到低电平并保持 1 个波特率周期。当接收 UART 检测到高到低电压跃迁时，便开始以波特率对应的频率读取数据帧中的位。
数据帧： 数据帧包含所传输的实际数据。如果使用奇偶校验位，数据帧长度可以是 5 位到 8 位。如果不使用奇偶校验位，数据帧长度可以是 9 位。在大多数情况下，数据以最低有效位优先方式发送。
奇偶校验： 奇偶性描述数字是偶数还是奇数。通过奇偶校验位，接收 UART 判断传输期间是否有数据发生改变。电磁辐射、不一致的波特率或长距离数据传输都可能改变数据位。接收 UART 读取数据帧后，将计数值为 1 的位，检查总数是偶数还是奇数。如果奇偶校验位为 0（偶数奇偶校验），则数据帧中的 1 或逻辑高位总计应为偶数。如果奇偶校验位为 1（奇数奇偶校验），则数据帧中的 1 或逻辑高位总计应为奇数。当奇偶校验位与数据匹配时，UART 认为传输未出错。但是，如果奇偶校验位为 0，而总和为奇数，或者奇偶校验位为 1，而总和为偶数，则 UART 认为数据帧中的位已改变。
停止位： 为了表示数据包结束，发送 UART 将数据传输线从低电压驱动到高电压并保持 1 到 2 位时间。

UART 通信过程中的数据格式及传输速率是可设置的，为了正确的通信，收发双方应约定并遵循同样的设置。数据位可选择为 5、6、7、8 位，其中 8 位数据位是最常用的，在实际应用中一般都选择 8 位数据位；校验位可选择奇校验、偶校验或者无校验位；停止位可选择 1 位（默认），1.5 或 2 位。串口通信的速率用波特率表示，它表示每秒传输二进制数据的位数，单位是 bps（位/秒），常用的波特率有 9600、19200、38400、57600 以及 115200 等。

那么什么是波特率呢？波特率：即每秒传输的位数(bit)。一般选波特率都会有 9600，19200，115200等选项。其实意思就是每秒传输这么多个比特位数(bit)。在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫作码元（因为串口是 1bit 进行传输的，所以其码元就代表一个二进制数），每秒通过信号传输的码元数称为码元的传输速率，简称“波特率”，常用符号“Baud”表示，其单位为“波特每秒”（Bps）。串口常见的波特率有 4800、9600、115200 等，此处我们选用 115200 的波特率进行讲解。通信信道每秒传输的信息量称为位传输速率，简称“比特率”，其单位为“每秒比特数”（bps）。比特率可由波特率计算得出，公式为比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数。如果使用的是 115200 的波特率，其串口的比特率为 115200Bps×1bit = 115200bps，由计算得串口发送或者接收 1bit 数据的时间为一个波特，即 1/115200s。
在设置好数据格式及传输速率之后，UART 负责完成数据的串并转换，而信号的传输则由外部驱动电路实现。电信号的传输过程有着不同的电平标准和接口规范，针对异步串行通信的接口标准有 RS232、RS422、RS485 等，它们定义了接口不同的电气特性，如 RS-232 是单端输入输出，而 RS-422/485 为差分输入输出等。RS-232 标准的串口最常见的接口类型为 DB9。

现在来说 对于这样的 大的接口 DB9 来说 现在并不实用 我们用的更多的是 USB的形式 通过 USB 在电脑上 装入USB转串口协议 完成实现功能

实验任务：
本节实验任务是上位机通过串口调试助手发送数据给领航者开发板，领航者开发板 PL 端通过USB_UART 串口接收数据并将接收到的数据发送给上位机，完成串口数据环回。

下面是 发送端的 波形图

top.v

module uart_loopback(
    input            sys_clk  ,   //外部50MHz时钟
    input            sys_rst_n,   //系外部复位信号，低有效
    
    //UART端口    
    input            uart_rxd ,   //UART接收端口
    output           uart_txd     //UART发送端口
    );

//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000;    //定义系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200  ;    //定义串口波特率

//wire define
wire         uart_rx_done;    //UART接收完成信号
wire  [7:0]  uart_rx_data;    //UART接收数据

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************

//串口接收模块
uart_rx #(
    .CLK_FREQ  (CLK_FREQ),
    .UART_BPS  (UART_BPS)
    )    
    u_uart_rx(
    .clk           (sys_clk     ),
    .rst_n         (sys_rst_n   ),
    .uart_rxd      (uart_rxd    ),
    .uart_rx_done  (uart_rx_done),
    .uart_rx_data  (uart_rx_data)
    );

//串口发送模块
uart_tx #(
    .CLK_FREQ  (CLK_FREQ),
    .UART_BPS  (UART_BPS)
    )    
    u_uart_tx(
    .clk          (sys_clk     ),
    .rst_n        (sys_rst_n   ),
    .uart_tx_en   (uart_rx_done),
    .uart_tx_data (uart_rx_data),
    .uart_txd     (uart_txd    ),
    .uart_tx_busy (            )
    );
    
endmodule

uart_rx.v

module uart_rx(
    input               clk         ,  //系统时钟
    input               rst_n       ,  //系统复位，低有效

    input               uart_rxd    ,  //UART接收端口
    output  reg         uart_rx_done,  //UART接收完成信号
    output  reg  [7:0]  uart_rx_data   //UART接收到的数据
    );

//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000;               //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200  ;               //串口波特率
localparam BAUD_CNT_MAX = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，对系统时钟计数BPS_CNT次

//reg define
reg          uart_rxd_d0;
reg          uart_rxd_d1;
reg          uart_rxd_d2;
reg          rx_flag    ;  //接收过程标志信号
reg  [3:0 ]  rx_cnt     ;  //接收数据计数器
reg  [15:0]  baud_cnt   ;  //波特率计数器
reg  [7:0 ]  rx_data_t  ;  //接收数据寄存器

//wire define
wire        start_en;

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************
//捕获接收端口下降沿(起始位)，得到一个时钟周期的脉冲信号
assign start_en = uart_rxd_d2 & (~uart_rxd_d1) & (~rx_flag);

//针对异步信号的同步处理
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        uart_rxd_d0 <= 1'b0;
        uart_rxd_d1 <= 1'b0;
        uart_rxd_d2 <= 1'b0;
    end
    else begin
        uart_rxd_d0 <= uart_rxd;
        uart_rxd_d1 <= uart_rxd_d0;
        uart_rxd_d2 <= uart_rxd_d1;
    end
end

//给接收标志赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        rx_flag <= 1'b0;
    else if(start_en)    //检测到起始位
        rx_flag <= 1'b1; //接收过程中，标志信号rx_flag拉高
    //在停止位一半的时候，即接收过程结束，标志信号rx_flag拉低
    else if((rx_cnt == 4'd9) && (baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1'b1))
        rx_flag <= 1'b0;
    else
        rx_flag <= rx_flag;
end        

//波特率的计数器赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        baud_cnt <= 16'd0;
    else if(rx_flag) begin     //处于接收过程时，波特率计数器（baud_cnt）进行循环计数
        if(baud_cnt < BAUD_CNT_MAX - 1'b1)
            baud_cnt <= baud_cnt + 16'b1;
        else 
            baud_cnt <= 16'd0; //计数达到一个波特率周期后清零
    end    
    else
        baud_cnt <= 16'd0;     //接收过程结束时计数器清零
end

//对接收数据计数器（rx_cnt）进行赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        rx_cnt <= 4'd0;
    else if(rx_flag) begin                  //处于接收过程时rx_cnt才进行计数
        if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1'b1) //当波特率计数器计数到一个波特率周期时
            rx_cnt <= rx_cnt + 1'b1;        //接收数据计数器加1
        else
            rx_cnt <= rx_cnt;
    end
    else
        rx_cnt <= 4'd0;                     //接收过程结束时计数器清零
end        

//根据rx_cnt来寄存rxd端口的数据
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        rx_data_t <= 8'b0;
    else if(rx_flag) begin                           //系统处于接收过程时
        if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1'b1) begin  //判断baud_cnt是否计数到数据位的中间
           case(rx_cnt)
               4'd1 : rx_data_t[0] <= uart_rxd_d2;   //寄存数据的最低位
               4'd2 : rx_data_t[1] <= uart_rxd_d2;
               4'd3 : rx_data_t[2] <= uart_rxd_d2;
               4'd4 : rx_data_t[3] <= uart_rxd_d2;
               4'd5 : rx_data_t[4] <= uart_rxd_d2;
               4'd6 : rx_data_t[5] <= uart_rxd_d2;
               4'd7 : rx_data_t[6] <= uart_rxd_d2;
               4'd8 : rx_data_t[7] <= uart_rxd_d2;   //寄存数据的高低位
               default : ;
            endcase  
        end
        else
            rx_data_t <= rx_data_t;
    end
    else
        rx_data_t <= 8'b0;
end        

//给接收完成信号和接收到的数据赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        uart_rx_done <= 1'b0;
        uart_rx_data <= 8'b0;
    end
    //当接收数据计数器计数到停止位，且baud_cnt计数到停止位的中间时
    else if(rx_cnt == 4'd9 && baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1'b1) begin
        uart_rx_done <= 1'b1     ;  //拉高接收完成信号
        uart_rx_data <= rx_data_t;  //并对UART接收到的数据进行赋值
    end    
    else begin
        uart_rx_done <= 1'b0;
        uart_rx_data <= uart_rx_data;
    end
end

endmodule

uart_tx.v

module uart_tx(
    input               clk         , //系统时钟
    input               rst_n       , //系统复位，低有效
    input               uart_tx_en  , //UART的发送使能
    input     [7:0]     uart_tx_data, //UART要发送的数据
    output  reg         uart_txd    , //UART发送端口
    output  reg         uart_tx_busy  //发送忙状态信号
    );

//parameter define
parameter CLK_FREQ = 50000000;               //系统时钟频率
parameter UART_BPS = 115200  ;               //串口波特率
localparam BAUD_CNT_MAX = CLK_FREQ/UART_BPS; //为得到指定波特率，对系统时钟计数BPS_CNT次

//reg define
reg  [7:0]  tx_data_t;  //发送数据寄存器
reg  [3:0]  tx_cnt   ;  //发送数据计数器
reg  [15:0] baud_cnt ;  //波特率计数器

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************

//当uart_tx_en为高时，寄存输入的并行数据，并拉高BUSY信号
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        tx_data_t <= 8'b0;
        uart_tx_busy <= 1'b0;
    end
    //发送使能时，寄存要发送的数据，并拉高BUSY信号
    else if(uart_tx_en) begin
        tx_data_t <= uart_tx_data;
        uart_tx_busy <= 1'b1;
    end
    //当计数到停止位结束时，停止发送过程
    else if(tx_cnt == 4'd9 && baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - BAUD_CNT_MAX/4) begin
        tx_data_t <= 8'b0;     //清空发送数据寄存器
        uart_tx_busy <= 1'b0;  //并拉低BUSY信号
    end
    else begin
        tx_data_t <= tx_data_t;
        uart_tx_busy <= uart_tx_busy;
    end
end

//波特率的计数器赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        baud_cnt <= 16'd0;
    //当处于发送过程时，波特率计数器（baud_cnt）进行循环计数
    else if(uart_tx_busy) begin
        if(baud_cnt < BAUD_CNT_MAX - 1'b1)
            baud_cnt <= baud_cnt + 16'b1;
        else 
            baud_cnt <= 16'd0; //计数达到一个波特率周期后清零
    end    
    else
        baud_cnt <= 16'd0;     //发送过程结束时计数器清零
end

//tx_cnt进行赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        tx_cnt <= 4'd0;
    else if(uart_tx_busy) begin             //处于发送过程时tx_cnt才进行计数
        if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1'b1) //当波特率计数器计数到一个波特率周期时
            tx_cnt <= tx_cnt + 1'b1;        //发送数据计数器加1
        else
            tx_cnt <= tx_cnt;
    end
    else
        tx_cnt <= 4'd0;                     //发送过程结束时计数器清零
end

//根据tx_cnt来给uart发送端口赋值
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        uart_txd <= 1'b1;
    else if(uart_tx_busy) begin
        case(tx_cnt) 
            4'd0 : uart_txd <= 1'b0        ; //起始位
            4'd1 : uart_txd <= tx_data_t[0]; //数据位最低位
            4'd2 : uart_txd <= tx_data_t[1];
            4'd3 : uart_txd <= tx_data_t[2];
            4'd4 : uart_txd <= tx_data_t[3];
            4'd5 : uart_txd <= tx_data_t[4];
            4'd6 : uart_txd <= tx_data_t[5];
            4'd7 : uart_txd <= tx_data_t[6];
            4'd8 : uart_txd <= tx_data_t[7]; //数据位最高位
            4'd9 : uart_txd <= 1'b1        ; //停止位
            default : uart_txd <= 1'b1;
        endcase
    end
    else
        uart_txd <= 1'b1;                    //空闲时发送端口为高电平
end

endmodule

README.md

在 tx端的 36行 我们把显示出来 时序提前 四分之一 
正点原子做了提前了 16分之一 我在实现的时候 传输的数据一直对不上 
else if(tx_cnt == 4'd9 && baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - BAUD_CNT_MAX/4) begin