零基础学FPGA（十）牛刀小试——串行口通信电路设计

以前在学单片机的时候，觉得串口通信其实很简单，只要一个指令数据就能轻易的接收或者发送。前几天试着用FPGA实现，发现里面的学问还不少，并没有想象的那么简单。当然代码肯定是参考别人的，不过我还是认真研究了整段代码的，下面的程序就是我在看懂了别人代码后自己敲的，花了也不少时间，理解的也差不多，下面我就在这里给那些和我一样的初学者介绍一下吧。 在电子设计领域，FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，能够根据用户需求配置成各种数字电路。本篇文章是针对初学者的FPGA学习教程，主要讲解如何利用FPGA实现串行口通信电路设计，这对于理解和应用FPGA至关重要。 串行口通信是一种常见的数据传输方式，相比并行通信，它只需要较少的引脚，但传输速度相对较慢。在单片机学习中，串口通信通常被认为简单，因为只需发送或接收指令即可。然而，当尝试用FPGA实现时，你会发现其中涉及的知识点更多，包括波特率、时序控制、数据采样等。 1. **顶层模块**： 在FPGA设计中，顶层模块扮演着整体系统架构的角色。一个好的设计习惯是将复杂系统划分为多个子模块，每个子模块负责特定的功能。顶层模块仅负责对外的接口定义，不包含具体实现，如这里的`rx_232`底层模块，通过`rx`接口与之连接。接口定义包括数据输入、输出、时钟和复位，它们是模块间通信的基础。 2. **波特率选择模块**： 波特率决定了串行通信的速度，例如9600bps意味着每秒传输9600位数据。计算出每位数据传输所需的时间后，可以确定计数器在时钟周期下的计数值。在这个例子中，需要计数到5027个时钟周期来匹配波特率。串口通信的时序图展示了起始位、数据位、校验位和停止位的顺序，以及如何通过波特率计时器来同步接收和发送。 3. **数据接收模块**： 数据接收模块通过边沿脉冲检测法捕捉起始位的低电平信号，确保准确无误地开始接收数据。当检测到起始位后，波特率计时器开始工作，到一半时产生采样信号，接收模块将数据存储。当接收完一帧数据后，模块会通知发送模块准备发送新的数据。 4. **数据发送模块**： 发送模块的工作原理类似，但它是由低电平信号触发发送。当检测到该信号时，发送模块开始发送数据，每次发送一位，直到所有数据发送完毕。 5. **程序实现**： 以上各部分的实现涉及到Verilog或VHDL等硬件描述语言，通过编写代码来定义逻辑功能。程序包括对信号的检测、计数器的使用、状态机的设计等。 6. **RTL视图与测试**： 完成代码编写后，通过仿真工具生成RTL（Register Transfer Level）视图，它直观展示了逻辑设计的结构。通过测试激励，可以验证设计是否符合预期，确保串行通信的正确性。 总结来说，FPGA实现串行口通信需要理解串口协议、波特率计算、时序控制以及模块化设计原则。通过学习和实践，初学者可以逐步掌握这一技能，为后续的FPGA项目打下坚实基础。在实际操作中，不断调试和优化代码，理解每个模块的工作原理，是提升设计能力的关键。