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|  V1.0  |  2020-03-03  |  gingko  |  初次建立  | 

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===== 实验十五：基于UART的ARM和FPGA通信实验 =====

==== 一、实验目的与意义 ====

  - 了解以UART协议的定义及时序要求。
  - 掌握串口通信的方法。
  - 学习FPGA模拟时序实现UART通信的设计方法。
==== 二、实验设备及平台 ====

  - iCore3 双核心板（ FPGA型号为EP4CE10F17，ARM型号为STM32F407IGT6）。[[https://item.taobao.com/item.htm?id=524229438677|点击购买]]
  - Blaster（或相同功能的）仿真器。[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]]
  - Micro USB线缆。
  - QuartusII开发软件（本实验中使用的是13.1版本）。
==== 三、实验原理 ====

  * UART（通用异步收发器）是一种通用串行数据总线，用于异步通信，可实现全双工传输和接收，是做硬件开发时常用的一种硬件接口。USART（通用同步异步收发器）在UART的基础上增加了同步功能，即USART是UART的增强型，异步通信的时候和UART没有区别。
  * STM32F407的手册中有讲，任何USART双向通信均需要至少两个引脚：接收数据输入引脚（RX）和发送数据输出引脚（TX）。其中，如果使能了发送器但没发送数据的时候，TX引脚是处于高电平的。 
  * 本实验是基于ARM和FPGA的，STM32F407本身带有USART外设。FPGA通过模拟USART的时序建立USART模块。对外提供的RXD和TXD接口与STM32 的TXD、RXD串口I/O相连接，实现和STM32F407的串口通信功能。STM32同时与Commix串口精灵连接，从而实现三者之间的数据传递。
  * 本实验中，Commix串口精灵向STM32发送数据，STM32的RXD端口接收数据，然后通过和FPGA相连的TXD端口把数据发送至FPGA，STM32起到一个桥梁的作用。程序运行后，FPGA定时向STM32发送数据， STM32再将数据发送至Commix串口精灵。下图是本实验系统框图：
{{ :icore3:icore3_fpga_15_1.png?direct |}}
  * UART作为串行传输总线，通过RX、TX双线连接ARM和FPGA。ARM只需配置好USART外设，实现串行传输功能即可；而FPGA本身不具有串行通信外设，需要模拟UART的接收和发送时序实现和ARM的串口通信功能。本实验主要讲解如何通过对串口传输时序的理解，用逻辑语言在FPGA上实现串口功能。
  * 以8位字长的串口发送数据帧为例，下图是是传输时序图，从图中可以看到，初始状态时，传输线上为高电平，在持续一个波特的低电平之后，是发送的有效数据。之后是至少一个波特高电平的停止位。
{{ :icore3:icore3_fpga_15_2.png?direct |}}
  * 由时序图得知，对于FPGA来说，在RX端口，可以通过启动位的电平判断有无数据传输进行。如果检测到RX端口有低电平，表示有串口数据传输过来，而低电平持续一个波特之后的数据才是传输的有效数据。FPGA可以采集一个波特率低电平之后的值，从而实现数据的接受。同理，如果FPGA要发送数据，则首先要拉低一个波特的低电平，之后开始传输数据。
  * 这里有一个奇偶校验位，这是一种简单的检错方式。串口通过校验位判断是否通信收到干扰或者传输数据是否同步。加入传输说句是1001，对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数。如果是奇校验，校验位为1，保证逻辑高位数为奇数。当然，也可以不设置校验位。
  * 那么，一个波特持续多长时间呢？这个跟串口传输的速率有关。以9600波特率为例，1秒传输9600个二进制位，每个二进制位持续时钟周期数为（1/9600）*25M≈2604（本实验开发板的驱动时钟周期为25M）。
  * 有了以上信息，就可以控制串口的发送了，流程如下:
    * 1、发送端先拉低2604个时钟周期。
    * 2、由发送字节的二进制位控制发送端口的电平高低，每个二进制位持续2604个时钟周期。
    * 3、待发送完一个字节，发送一个奇偶校验位。电平持续2604个时钟周期。
    * 4、将输出端口拉高至少2604个时钟周期的高电平，表示一个字节发送完毕。
  * 知道了发送流程，那么接收流程也就清楚了。检测接收端口电平，如果出现低电平，开始计数，计满2604个时钟周期之后，将持续接收的八位二进制数据保存，即为接收数据。这里要注意，时钟的上升沿要保持在数据稳定的区间，以保证接收数据的准确性。
==== 四、代码讲解 ====

  * 明白串口传输的收发过程之后，就可以通过代码实现了。首先，接收和发送可以划分成独立的两个模块。其次，串口波特率有9600bps、19200bps、38400bps、57600bps、115200bps等不同的波特率。那么，还要加一个波特率控制模块。
  * 先讲一下波特率控制模块，这个模块本质上是对系统时钟做分频处理。通过计数，将25MHz的系统时钟分频成9600Hz、19200Hz等的周期信号。部分代码如下：
<code verilog>
	always @(posedge CLK_25M or negedge rst_n)
		if (!rst_n)
			cnt <= 12'd0;
		else if(cnt == Baud)
			cnt <= 12'd0;
		else cnt = cnt + 1'd1;

	always @(posedge CLK_25M or negedge rst_n)
		if (!rst_n)
			BPS_CLK_r <= 1'd0;
		else if (cnt <= Baud >> 1) //相当于Baud/2
			BPS_CLK_r <= 1'd0;	//作为接收数据时的中间采样点,或发送数据时的位分界点
		else
			BPS_CLK_r <= 1'd1;	
</code>
  * 其次是数据接收模块，可以采用case语句，以对波特计数的变量J控制二进制位的采集。首先判断起始位，检测到起始位之后，对接下来的8个二进制数据依次接收，对校验位接收。最后是停止位检测，并将变量J归零。代码如下：
<code verilog>
	always@(posedge BPS_CLK or negedge rst_n)
		if(!rst_n)
			begin
				j <= 4'd0;
				data_in <= 8'd0;
				data_inr <= 40'd0;
				receive_data <= 40'd0;
			end
		else case(j)
			4'd0:                                //判断起始标志
				begin
					if(!RX)           
						begin
							data_in <= 8'd0;
							j <= j+ 1'd1;
							end
					else j <= j;
				end
			4'd1,4'd2,4'd3,4'd4,4'd5,4'd6,4'd7,4'd8:	//接收数据
				begin
					j <= j + 1'd1;
					data_in <= {RX,data_in[7:1]};
				end
			4'd9:                     //接收校验位
				begin
					receive_data <= {receive_data[31:0],data_in};
					j <= j + 1'd1;
				end
			4'd10: 				//接收停止位
				begin
					j <= 1'd0;
					if(receive_data[7:0] == 8'b00001010)
						begin
						    data_inr <= receive_data;
						end
				end
			default: j <= 4'd0;
		endcase	
</code>
  * 知道了数据的接收流程，那么数据发送的过程也就清楚了。与接收过程类似，先拉低一个波特的低电平，然后开始发送数据。然后发送一个校验位和1个停止位。整个过程是顺序执行的，那么，可以用case语句，结合计数器实现发送数据的控制，具体实现过程参考如下代码：
<code verilog>
	always @(posedge BPS_CLK or negedge rst_n)
		if (!rst_n)
		    begin
			i <= 14'd0;
			TX_r <= 1'd1;				//空闲状态为1
			cnt <= 4'd0;
			data_out <= 8'd0;
			GINGKO <= {8'd71,8'd73,8'd78,8'd71,8'd75,8'd79,8'd13,8'd10};
		    end
		else 			//开始发送DATA
		    case(i)
			14'd0: begin			//先发送起始位0
				i <= i + 1'd1;
				{data_out,GINGKO[63:8]} <= GINGKO;
				TX_r <= 1'd0;									
			       end
			14'd1,14'd2,14'd3,14'd4,14'd5,14'd6,14'd7,14'd8:	 //TX_r将DATA数据发送出去
			       begin
				i <= i + 1'd1;
				{data_out[6:0],TX_r} <= data_out; //串口发送时,低位在先
			       end								
			14'd9: begin		 //1位奇偶校验位和1位停止位
				i <= i + 1'd1;
				TX_r <= 1'd1;                                      
				end
			14'd10: begin		//1位停止位
				if(cnt == 4'd7)
				    begin
					i <= i + 1'd1;
					cnt <= 4'd0;
				    end
				else 
				    begin
					i <= 14'd0;
					cnt <= cnt + 1'd1;
				    end
				end
				14'd9600: begin	//定时约为1s				
					i <= 14'd0;
					GINGKO <= {8'd71,8'd73,8'd78,8'd71,8'd75,8'd79,8'd13,8'd10};
					end
				default: i <= i + 1'd1;  //i为其他无效数值时,直接转到退出TXD模块状态
			endcase
</code>
  * 为了便于观察验证通信的正确性，还可以将接收数据进行对比，并通过LED将不同对比结果呈现出来，便于观察和判断。代码较为简单，可以参考例程的源码。
==== 五、操作流程和测试结果 ====

=== 1.操作步骤： ===

  * 1）把仿真器与iCore3的SWD调试口连接（直接相连或者通过转换器相连）；	
  * 2）将USB-Blaster与iCore3的JTAG调试口相连；
  * 3）将跳线帽插在USB UART;
  * 4）把iCore3（USB_UART）通过Micro USB线与计算机连接，为iCore3供电；
  * 5）打开Commix串口精灵，找到对应的端口打开；
  * 6）打开Quartus II开发环境，并打开实验工程； 
  * 7）烧写FPGA程序到iCore3上；
  * 8）打开Keil MDK开发环境，并打开实验工程； 
  * 9）烧写ARM程序到iCore3上；
  * 10）输入串口命令，观察实验现象。

=== 2.测试结果： ===

  * 发送串口命令，输入命令后对应的ARM灯和FPGA灯亮，同时，串口精灵上定时接收显示：GINGKO\CR。

|串口发送命令格式|  ARM_LED现象	|FPGA_LED现象|
|LEDR\CR\LF|	红灯亮	|红灯亮|
|LEDG\CR\LF|	绿灯亮	|绿灯亮|
|LEDB\CR\LF|	蓝灯亮	|蓝灯亮|
==== 六、拓展实验： ====

  - 尝试改变传输波特率。
  - 在FPGA上构建另一个串口模块，通过杜邦线连接相对应引脚，实现FPGA自身两个串口模块的通信功能。
  - 在实验二基础上自定义波特率进行通信。