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icore3_fpga_15 [2019/12/23 17:44] zhangzheng 创建 |
icore3_fpga_15 [2022/03/18 15:43] (当前版本) sean |
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+ | ^ 版本 ^ 日期 ^ 作者 ^ 修改内容 ^ | ||
+ | | 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 ===== | ||
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+ | ==== 一、实验目的与意义 ==== | ||
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+ | - 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 ==== | ||
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+ | - 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。 |