实验十二：串口模块① — 发送
串口固然是典型的实验，想必许多同学已经作烂，不过笔者还要循例介绍一下。我们知道串口有发送与接收之分，实验十二的实验目的就是实现串口发送，然而不同的是 ... 笔者会用另一种思路去实现串口发送。
图12.1 PS/2发送时序与串口发送时序。
如图12.1所示，串口发送时序相较PS/2发送时序，串口发送时序就像断了翅膀的小鸟般，没有时钟信号控制整个传输协议。除此之外，串口发送时序与PS/2发送时序近似的地方也非常惊人 ... 默认下，一帧PS/2数据有11位，对此一帧串口数据也有11位，其中位分配如表12.1所示：
表12.1 一帧串口数据的位分配。
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位分配 |
位定义 |
|
[0] |
起始位 |
|
[8:1] |
数据位 |
|
[9] |
校验位 |
|
[10] |
停止位 |
如表12.1所示，[0]为拉低的起始位，[8:1]为任意填充的数据位，[9]为任意填充的校验位，[10]为拉高的停止位。
图12.2 FPGA发送一帧串口数据（无视波特率）。
假设我们无视波特率，并且利用FPGA发送一帧串口数据的话 ... 如图12.2所示，一帧有11位的串口数据，一共使用了11个上升沿发送出去，为此Verilog则可以这样表示，结果如代码12.1所示：
reg [10:0]D1;
always @（posedge CLOCK）
case（i）
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10:
begin TXD <= D1[i]; i <= i + 1'b1; end
......
endcase
代码12.1
如代码12.1所示，寄存器D为11位宽的寄存器，并且驱动TXD输出口，期间步骤0~11公按照i的位寻址，将D1的内容逐个发送出去。
虽然串口传输协议极为类似PS/2传输协议，但是串口传输协议也有区别的地方。其一串口传输协议有波特率的概念，而且串口协议有各种各样的波特率，常用的波特率有9600 bps或者115200 bps，波特率最低为 110 bps，最高为 256000 bps（目前暂定）。所谓波特率就是一秒内，串口可以发送多少位数据，此外波特率也是一位数据的周期，或者说是一位数据的保持时间，就拿115200 bps为例：
1/115200 = 8.68E-6
115200波特率的一位数据周期为 8.68us，如果用50Mhz 的时钟频率去量化的话：
( 1/115200 ) / (1/50E+6) = 8.68E-6 / 20E-9
= 434
图12.3 FPGA发送一帧串口数据（考虑波特率）。
如果图12.3考虑115200的波特率，结果如图12.3所示，每一位数据都保持434个时钟
，为此Verilog可以这样表示，如代码12.2所示：
reg [10:0]D1;
reg [8:0]C1;
always @（posedge CLOCK）
case（i）
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10:
if( C1 == 9’d434 -1 ) begin C1 <= 9’d0; i <= i + 1’b1; end
else begin TXD <= D1[i]; C1 <= C1 + 1'b1; end
......
endcase
代码12.1
如代码12.1所示，步骤0~10不再保持一个时钟，换之每个步骤都保持434个时钟，因此每位TXD的发送数据也保持 8.68us。
除此此外，串口传输协议不仅可以自定义波特率，串口传输协议也可以自定义一帧数据的位宽，自定义内容如表12.2所示：
表12.2 自定义一帧数据。
|
自定义数据位 |
自定义内容 |
|
数据位 |
5~9 |
|
校验位 |
有/无 |
|
停止位 |
1~2 |
如表12.2所示，可以自定义的数据其中便包含数据位，默认下为1字节，自定义内容则是5~9位，校验位也可以设置为有或者无（默认下是有），停止位也可以增至2位（默认下是1位）。不管怎么样，表12.2是比较官方的自定义内容 ... 只要读者欢喜，任何畸形的自定义内容也有可能实现。
理解完毕以后，我们便可以开始建模了。
图12.4 实验十二的建模图。
图12.4是实验十二的建模图，不过内容较为寒酸 ... 组合模块 tx_demo 内容包括一段核心操作，还有一只TX功能模块。核心操作负责TX功能模块的调用，亦即控制沟通信号还有Data的输入。TX功能模块被使能以后，便将iData经由TXD输出端发送出去
，完后便反馈完成信号以示一次性的操作已经完毕。
tx_funcmod.v
图12.5 TX功能模块的建模图。
如图12.5所示，该模块的左方有问答信号，还有8位的iData，至于右方则是 TXD 顶层信号。此外，一帧数据的波特率为 115200 bps。
1. module tx_funcmod
2. (
3. input CLOCK, RESET,
4. output TXD,
5. input iCall,
6. output oDone,
7. input [7:0]iData
8. );
9. parameter B115K2 = 9'd434; // formula : ( 1/115200 )/( 1/50E+6 )
以上内容为相关的出入端声明，第9行则是波特率为115200的常量声明。
11. reg [3:0]i;
12. reg [8:0]C1;
13. reg [10:0]D1;
14. reg rTXD;
15. reg isDone;
16.
17. always @( posedge CLOCK or negedge RESET )
18. if( !RESET )
19. begin
20. i <= 4'd0;
21. C1 <= 9'd0;
22. D1 <= 11'd0;
23. rTXD <= 1'b1;
24. isDone <= 1'b0;
25. end
以上内容为相关的寄存器声明以及复位操作。
26. else if( iCall )
27. case( i )
28.
29. 0:
30. begin D1 <= { 2'b11 , iData , 1'b0 }; i <= i + 1'b1; end
31.
32. 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11:
33. if( C1 == B115K2 -1 ) begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
34. else begin rTXD <= D1[i - 1]; C1 <= C1 + 1'b1; end
35.
36. 12:
37. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
38.
39. 13:
40. begin isDone <= 1'b0; i <= 4'd0; end
41.
42. endcase
43.
以上内容为部分核心操作。第26行的if( iCall ) 表示该模块不使能就不工作。步骤0用来准备发送数据，其中 2’b11 是停止位与校验位（随便填），1’b0则是起始位。步骤1~11用来发送一帧数据。步骤12~13用来反馈完成信号并返回步骤。
44. assign TXD = rTXD;
45. assign oDone = isDone;
46.
47. endmodule
以上内容为驱动输出的声明。
tx_demo.v
连线部署直接看代码比较具体一点。
1. module tx_demo
2. (
3. input CLOCK, RESET,
4. output TXD
5. );
6. wire DoneU1;
以上内容是相关的出入端声明。
8. tx_funcmod U1
9. (
10. .CLOCK( CLOCK ),
11. .RESET( RESET ),
12. .TXD( TXD ),
13. .iCall( isTX ),
14. .oDone( DoneU1 ),
15. .iData( D1 )
16. );
以上内容是TX功能模块的实例化，其中isCall由isTX驱动，iData由D驱动。
18. reg [3:0]i;
19. reg [7:0]D1;
20. reg isTX;
21.
22. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
23. if( !RESET )
24. begin
25. i <= 4'd0;
26. D1 <= 8'd0;
27. isTX <= 1'b0;
28. end
以上内容是相关的寄存器声明，第23~28行则是这些寄存器的复位操作。
29. else
30. case( i )
31.
32. 0:
33. if( DoneU1 ) begin isTX <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end
34. else begin isTX <= 1'b1; D1 <= 8'hA1; end
35.
36. 1:
37. if( DoneU1 ) begin isTX <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end
38. else begin isTX <= 1'b1; D1 <= 8'hA2; end
39.
40. 2:
41. if( DoneU1 ) begin isTX <= 1'b0; i <= i + 1'b1; end
42. else begin isTX <= 1'b1; D1 <= 8'hA3; end
43.
44. 3: // Stop
45. i <= i;
46.
47. endcase
48.
49. endmodule
以上内容是核心操作的内容，步骤0发送数据 8’hA1，步骤1发送数据8’hA2，步骤2发送数据 8’hA3。
编译完毕便下载程序，并且将串口线连接至电脑与开发板。打开串口调试助手，波特率设为115200，数据位为8，校验位随便，停止位为1位 ... 事后，显示方式设置为HEX（十六进制）。当程序下载完毕以后，串口调试助手便会出现 A1，A2与A3。
细节一： 完整的个体模块
实验十二的TX功能模块已经是完整的个体，可以直接拿来调用。