UART Verilog詳解

一、UART簡介

UART是通用非同步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）的縮寫，它是一種串列通訊介面標準。相比較其他串列通信方式，UART具有性能高、成本低的優點，在單片機、嵌入式系統、計算機外圍設備中被廣泛應用。

UART使用一種非同步方式，即發送數據和接收數據的時鐘不同步，通過指定數據位，停止位，奇偶校驗位等參數，可以保證數據正確無誤地傳輸。

下面我們來詳細了解一下UART的工作原理以及在Verilog中的實現。

二、UART的工作原理

UART的工作原理可以分為兩個階段：

1、發送數據

module uart_tx(
    input clk, //system clock
    input reset, //system reset
    input enable, //tx enable signal
    input [7:0] data_in, //data to be sent
    output tx //tx output signal
);
   ......
endmodule

2、接收數據

module uart_rx(
    input clk, //system clock
    input reset, //system reset
    input enable, //rx enable signal
    input rx, //rx input signal
    output reg [7:0] data_out, //received data
    output reg receive_done //receive done signal
);
   ......
endmodule

三、UART Verilog實現

1、發送數據實現

UART發送數據的核心是將發送的數據按照指定的協議進行封裝，然後通過TX引腳發送出去。

以下是一個基本的UART發送模塊：

module uart_tx(
    input clk, //system clock
    input reset, //system reset
    input enable, //tx enable signal
    input [7:0] data_in, //data to be sent
    output tx //tx output signal
);

    parameter BAUD_RATE = 9600 ; //波特率
    parameter SYS_CLK = 50000000 ; //系統時鐘頻率
    parameter TICK = SYS_CLK / BAUD_RATE ;

    reg [3:0] state ; //狀態機
    reg [7:0] data_reg ; //數據寄存器
    reg [3:0] bit_count ; //計數器
    reg tx_reg ; //TX寄存器

    always@(posedge clk) begin
        if(reset) begin
            state <= 4'd0 ;
            tx_reg <= 1'b1 ; //發送起始位
            data_reg <= 8'h00 ;
            bit_count <= 4'd0 ;
        end else begin
            case(state)
                4'd0 : begin //等待TX越過起始位
                    if(enable) begin
                        state <= 4'd1 ;
                    end
                end
                4'd1 : begin //發送8位數據位
                    tx_reg <= data_in[0] ;
                    data_reg > 1 ;
                    bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
                    if(bit_count == 4'd8) begin
                        bit_count <= 4'd0 ;
                        state <= 4'd2 ;
                    end
                 end
                 4'd2 : begin //發送校驗位（這裡使用奇偶校驗）
                    tx_reg <= ~(^data_in) ;
                    bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
                    if(bit_count == 4'd1) begin
                        bit_count <= 4'd0 ;
                        state <= 4'd3 ;
                     end
                  end
                  4'd3 : begin //發送停止位
                    tx_reg <= 1'b0 ;
                    bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
                    if(bit_count == 4'd1) begin
                        bit_count <= 4'd0 ;
                        state <= 4'd4 ;
                    end
                 end
                 4'd4 : begin //等待下一次發送
                    if(enable) begin
                        state <= 4'd1 ;
                    end
                 end
            endcase
        end
    end

    assign tx = tx_reg ;

endmodule

2、接收數據實現

UART接收數據的核心是按照指定協議從RX引腳接收信號，並解析出數據內容。

一個基本的UART接收模塊如下所示：

module uart_rx(
    input clk, //system clock
    input reset, //system reset
    input enable, //rx enable signal
    input rx, //rx input signal
    output reg [7:0] data_out, //received data
    output reg receive_done //receive done signal
);

    parameter BAUD_RATE = 9600 ; //波特率
    parameter SYS_CLK = 50000000 ; //系統時鐘頻率
    parameter TICK = SYS_CLK / BAUD_RATE ;

    reg [3:0] state ; //狀態機
    reg [7:0] data_reg ; //數據寄存器
    reg [3:0] bit_count ; //計數器
    reg rx_reg ; //RX寄存器
    reg odd_parity ; //奇校驗位判斷

    always@(posedge clk) begin
        if(reset) begin
            state <= 4'd0 ;
            data_reg <= 8'h00 ;
            bit_count <= 4'd0 ;
            rx_reg <= 1'b1 ; //等待起始位
        end else begin
            case(state)
                4'd0 : begin //等待起始位
                    if(~rx & enable) begin
                        state <= 4'd1 ;
                        rx_reg <= rx ;
                        data_reg <= 8'h00 ;
                        bit_count <= 4'd0 ;
                        odd_parity <= 1'b0 ;
                    end
                end
                4'd1 : begin //接收8位數據位
                    rx_reg <= rx ;
                    data_reg <= {data_reg[6:0], rx} ;
                    bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
                    odd_parity <= odd_parity ^ rx ; //奇偶校驗
                    if(bit_count == 4'd7) begin
                        state <= 4'd2 ;
                    end
                end
                4'd2 : begin //接收校驗位（這裡使用奇偶校驗）
                    rx_reg <= rx ;
                    odd_parity <= odd_parity ^ rx ; //奇偶校驗
                    bit_count <= bit_count + 4'd1 ;
                    if(bit_count == 4'd1) begin
                        state <= 4'd3 ;
                    end
                end
                4'd3 : begin //接收停止位
                    rx_reg <= rx ;
                    receive_done <= 1'b1 ; //數據接收完成
                    data_out <= data_reg ; //輸出數據
                    if(rx) begin
                        //停止位必須是邏輯0，否則認為停止位錯誤
                        state <= 4'd4 ;
                    end
                end
                4'd4 : begin //等待下一次數據接收
                    receive_done <= 1'b0 ;
                    if(~rx & enable) begin
                        state <= 4'd1 ;
                        rx_reg <= rx ;
                        data_reg <= 8'h00 ;
                        bit_count <= 4'd0 ;
                        odd_parity <= 1'b0 ;
                    end
                end
            endcase
        end
    end

endmodule

四、小結

本文主要介紹了UART通訊的基本原理，以及在Verilog中的實現方式。通過實現發送和接收兩個模塊，我們可以完成對UART通訊協議的實現。同時，我們也需要注意一些細節問題，如如何進行奇偶校驗，如何判斷起始位和停止位等等。這些問題對於保證數據傳輸的正確性非常重要。