FPGA学习笔记——串口回环实验

串口回环实验

串口大家应该都不陌生，总共一收一发两根线，很多FPGA也自带usb转串口芯片，今天做一个pc上位机将数据通过串口发给FPGA，FPGA直接将数据发回给pc端的串口环回实验。

波特率

波特率bps指的是串口一秒内能发多少个bit位，常见的波特率有9600、38400、115200等，这是PC与FPGA使用串口通信所约定好的一个速率。比如FPGA的时钟频率是50MHz，那么一秒钟就有50M个时钟周期，我又需要一秒钟发送9600个bit位，所以用50M除以9600得到大约5208，也就是说一个bit位要占据5208个时钟周期。
在本实验中我们使用50M的时钟，9600的波特率。

模块框图

框图很简单，总共两个主要的模块就是rx接收模块和tx发送模块，再加上一个顶层模块即可。接收模块将接收到的数据传给发送模块，发送模块再把数据发给PC，接收和发送是互不干扰的。

rx时序

这是我画的一张rx时序图。首先串口的时序是起始位为0，再跟八个数据位，然后是校验位（可有可无，这里省略），最后结束位拉高为1。
rx是一个异步信号，所以我在代码中是做了打两拍的异步处理；rx_flag是一个标志位，当检测到rx拉低时，立刻拉高rx_flag，同时这个信号也作为bps_cnt的加一条件，拉低条件是当bps_cnt记到5208个并且bit_cnt==0时可以拉低;bps_cnt就是在rx_flag拉高时不断地记满5208个即可；bit_cnt是比较重要的一个计数器，尤其要注意它的加一条件是当bps_cnt记到一半时加一，其实这也代表了rx_data在该时刻才去获取rx的值，这是为了取到最稳定的数据位，减少误码率。rx_vld就是一个标志接收到一个字节的数据的标志位，在bit_cnt记满清零的时刻拉高一个时钟；rx_data根据bit_cnt的加一来赋值，要注意串口是从一个字节的低位开始发的，发到最后是最高位，在rx_vld拉高的同时，正好读取完成一个字节的数据。

tx时序

发送模块的时序比接收简单一些，按照串口发送规则先拉低tx最后拉高即可，要注意的是在rx_vld到来时，要记得用一个寄存器锁存发来的一个字节的数据，不能直接用rx_data。

仿真验证

仿真结果如上，看上去没有问题。

RTL图

Quartus生成的RTL图，也可以看看。

上板验证

我们使用友善串口调试助手验证结果如上，实验成功。

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