UART接口控制器

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主设备与从设备通过总线来进行数据通信，是一个数字系统不可或缺的一部分，本篇讲述一种常见的总线控制器UART串行数据接口，也称为串口。
串口的标准一般有，RS-232、RS-422与RS-485标准，我们讲述的是RS-232接口信号。

1、接口信号定义

RS-232最常见的是9脚接口
表1-1：RS-232接口定义

在实际的应用中，我们只需要关注两个接口，数据接收（RXD）和数据发送（TXD），而其他的接口不需要理会。
串口的时序如图1-1所示：

结合时序图我们说明以下，串口收发数据的过程。在没有需要发送的数据时，接口的电平为高。在需发送的数据到达之前，先会有一个低电平的起始位。而后开始发送数据，而后会发送校验位，最后是停止位。结束后恢复高电平，等待下一个传送周期的起始位出现。
所以我们可以画出一个简单的收发结构图，如图1-2所示：

2、发送模块的设计

当数据准备好时，start信号为高电平，数据并行输入内部寄存器中，等时钟周期来了之后由低位到高位串行发送，代码如下：

module UART (clk,rst,start,data_in,TXD);
	parameter fst_bit=1'b0; //开始位为低电平
	parameter last_bit=1'b0; //传输结束信号
	input clk,rst;
	input start; //数据传输高电平有效
	input [7:0]data_in;
	output TXD;
	reg [9:0]shift;   //内部寄存器
	always@(posedge clk or negedge rst)
	begin
		if (!rst) shift<=10'b1111111111;
		else if (start) shift<={ 
   1'b1,data_in,1'b0};
		else shift<={ 
   1'b1,shift[9:1]};
	end
	assign TXD=shift[0];
endmodule

3、接收模块

接收模块的设计采用状态机设计，在无接收数据时，状态为初始状态init_s
开始接收时为接收状态rec_s,当状态在接收状态时内部计数器开始计数，当计数器达到8时输出数据状态复位。代码如下：

module UART_re2(clk,rst,data_out,XRD);
	parameter init_s=2'b00;//初始状态
	parameter rec_s=2'b01;//数据接收状态
	input clk,rst;
	input XRD;
	output [7:0]data_out;
	reg [7:0] data_out;
	reg [3:0] count;//数据接收计数器
	reg [7:0]data_reg;//数据寄存器
	reg [1:0] state,next_state;
	always@(posedge clk or negedge rst)
	begin
		if (!rst)
		begin
			state<=init_s;
			data_out<=8'b0;
			count <=4'b0;//初始化
		end
		else begin
			state<=next_state; //状态转换
			if (state==rec_s) begin
				data_reg<={ 
   XRD,data_reg[7:1]};//数据位移
				count<=count+1'b1; //计数器计数
			end
		end
	end
	
	always@(state or XRD or count )
	begin
		next_state<=state; //激励
		case(state)
			init_s:if (!XRD) next_state<=rec_s;
			rec_s: begin
				if (count==4'b1000) begin
					data_out<=data_reg;//数据输出
					state<=init_s;
					count<=4'b0000;
				end 
				else next_state<=state;
				end
			default:state<=init_s;
		endcase
	end	
endmodule 

仿真结果

测试代码如下：

module UART_t;
	reg clk,rst;
	reg [7:0]data_in;
	reg start;
	wire [7:0]data_out;
	wire serial;
	
	initial 
		begin
			clk=1'b0;
			rst=1'b1;
			start=1'b0;
			data_in=8'b11110000;
			#20 rst=1'b0;
			#40 rst=1'b1; start=1'b1;
			#100 start=1'b0;
		end
	always #50 clk=~clk;
	UART U1(.clk(clk),.rst(rst),.start(start),.data_in(data_in),.TXD(serial));
	UART_re2 U2(.clk(clk),.rst(rst),.data_out(data_out),.XRD(serial));
endmodule