UART系统配置步骤详解
电子说
描述
00 模块简介
CPU通过挂载到APB总线上的UART模块，实现其与外部设备的串行通信。系统配置部分将 实现UART模块与CPU的通信，APB总线的读写和模块的功能配置，中断信号的产生 。
AMBA总线中的APB总线由于功耗小，接口简单，适用于低带宽且不需要更高性能总线的中低速外设。UART是此类常见外设，通常使用APB总线与系统连接。
01 模块接口与描述
02 实现
REG_IF模块主要由 状态信息同步 、 APB总线读写 、FIFO读写使能和状态寄存器操作及中断产生这几部分构成。
APB总线读写：通过APB总线实现与CPU的通信，通过配置寄存器方式实现数据收发，控制UART模块功能，读取模块工作状态等。
FIFO读写使能：分别是RF_FIFO的读使能控制和TX_FIFO的写使能控制。
状态寄存器操作及中断产生：将TX、RX模块反馈的工作状态体现在状态寄存器中，供CPU查询，并产生中断信号通知CPU进行处理。
- 状态信息同步
配置模块工作在系统时钟域，将收到来自接收模块和发送模块的状态指示信息，这部分信号需要在系统时钟域进行同步。
- APB总线读写
前面我们讲过APB读写时序。
APB读：作为APB从设备，当APB总线发起读操作时，需要在合适的时间将对应地址的寄存器值送到总线（如下图T3），确保主机能收到数据。此时 PENABLE等于0，PSEL等于1，PWRITE等于0 。
apb读
APB读实现如下：
//read reg value
always@(posedge clk ornegedge rst_) begin
if(!rst_) begin
prdata_o <= 32'h0;
end
elsebegin
// APB read
if(psel_i && (!penable_i) && (!pwrite_i)) begin
case(paddr_i)
4'h0:
prdata_o <= uart_tx;
4'h1:
prdata_o <= uart_rx;
4'h2:
prdata_o <= uart_baud;
4'h3:
prdata_o <= uart_conf;
4'h4:
prdata_o <= uart_rxtrig;
4'h5:
prdata_o <= uart_txtrig;
4'h6:
prdata_o <= uart_delay;
4'h7:
prdata_o <= uart_status;
4'h8:
prdata_o <= uart_rxfifo_stat;
4'h9:
prdata_o <= uart_txfifo_stat;
endcase
end
end
end
APB写：类似的，当APB总线上发起写操作时，从机需要在合适的时间接收总线上的数据（如下图T4），放到对应的寄存器地址。此时 PENABLE等于1，PSEL等于1，PWRITE等于1 。
apb写
APB写实现如下：
//write reg value
always@(posedge clk ornegedge rst_) begin
if(!rst_) begin
uart_tx <= 32'h0;
uart_baud <= 32'hf152;
uart_conf <= 32'h34;
uart_rxtrig <= 32'h1;
uart_txtrig <= 32'h0;
uart_delay <= 32'h2;
end
elsebegin
// APB write
if(psel_i && penable_i && pwrite_i) begin
case(paddr_i)
4'h0:
uart_tx <= pwdata_i;
4'h2:
uart_baud <= pwdata_i;
4'h3:
uart_conf <= pwdata_i;
4'h4:
uart_rxtrig <= pwdata_i;
4'h5:
uart_txtrig <= pwdata_i;
4'h6:
uart_delay <= pwdata_i;
endcase
end
end
end
- FIFO读写使能
RX_FIFO读控制：
在cpu读uart状态寄存器（uart_status）时，如果rx中断有效（即状态位的第1bit位有效），且FIFO不为空，RX_FIFO读使能一个时钟周期。
或在cpu读接收数据寄存器（uart_rx）时，RX_FIFO读使能一个时钟周期。
注意由于读出FIFO数据需要1个时钟周期，为了使cpu能及时读到数据，在读状态寄存器时其实是一个预取动作。
// FIFO enable control
always@(posedge clk ornegedge rst_) begin
if(!rst_) begin
rx_fifo_rinc <= 1'b0;
state <= 1'b0;
end
elsebegin
case(state)
1'b0: begin
// when ARM read uart_status, judge interrupt bit ,if rx_int is
// active, or ARM read uart_rx ,rx_fifo_rinc enable 1 clk
if(psel_i && (!penable_i)&&(!pwrite_i)&&(paddr_i==4'h7)) begin
if(uart_status[1] && !rx_fifo_rempty) begin
rx_fifo_rinc <= 1'b1;
state <= 1'b1;
end
end
// when ARM read data,rx_fifo_rinc enable 1 clk
if(psel_i &&(!penable_i)&&(!pwrite_i)&&(paddr_i==4'h1)) begin
rx_fifo_rinc <= 1'b1;
state <= 1'b1;
end
end
1'b1: begin
rx_fifo_rinc <= 1'b0;
state <= 1'b0;
end
endcase
end
end
TX_FIFO写控制：
在cpu写uart_tx时，说明需要UART模块发送数据，APB写数据到寄存器需要1个时钟周期，所以需要在1个时钟之后再写使能TX_FIFO。
always@(posedge clk ornegedge rst_) begin
if(!rst_) begin
tx_fifo_winc <= 1'b0;
state_en <= 2'b0;
end
elsebegin
case(state_en)
2'b0: begin
// ARM write uart_tx,tx_fifo_winc enable 1 clk after 1 clk
if(psel_i && penable_i && pwrite_i && (paddr_i==4'h0)) begin
state_en <= 2'b01;
end
end
2'b01: begin
state_en <= 2'b10;
tx_fifo_winc <= 1'b1;
end
2'b10: begin
tx_fifo_winc <= 1'b0;
state_en <= 2'b0;
end
endcase
end
end
- 状态寄存器操作及中断产生
状态寄存器指示4个状态：ST_ERROR，P_ERROR，RX_INT和TX_INT。由高到低在寄存器uart_status[3:0]。分别表示接收数据停止位出错、接收数据校验位出错、接收数据中断位和发送数据中断位。
其中接收数据中断位有效表示RX_FIFO中数据量增加到触发值，数据将满（触发值由cpu配置），通知cpu接收数据；发送数据中断位有效表示TX_FIFO中数据减少到触发值，数据将空（触发值由cpu配置），通知cpu数据将要发送完毕，需补充数据。
从接收模块接收到的ST_ERROR，P_ERROR信号响应也在此部分产生，表示已经收到此状态。
// uart_status register operate
always@(posedge clk ornegedge rst_) begin
if(!rst_) begin
p_error_ack <= 1'b0;
st_error_ack <= 1'b0;
uart_status <= 32'h0;
rx_state <= 1'b0;
tx_state <= 1'b0;
end
elsebegin
if(st_error_syn) begin
uart_status[3] <= 1'b1;
end
elsebegin
if(neg_uart_status3) begin
st_error_ack <= 1'b1;
end
elsebegin
if(!st_error_syn2) begin
st_error_ack <= 1'b0;
end
end
end
if(p_error_syn) begin
uart_status[2] <= 1'b1;
end
elsebegin
if(neg_uart_status2) begin
p_error_ack <= 1'b1;
end
elsebegin
if(!p_error_syn2) begin
p_error_ack <= 1'b0;
end
end
end
// when rx_fifo_cnt from less than to equal the rxtrig,
// rx_int is active
case(rx_state)
1'b0: begin
if(rx_fifo_cnt == (uart_rxtrig[3:0] - 1'b1)) begin
rx_state <= 1'b1;
end
elsebegin
rx_state <= 1'b0;
end
end
1'b1: begin
if(rx_fifo_cnt == uart_rxtrig[3:0]) begin
uart_status[1] <= 1'b1;
rx_state <= 1'b0;
end
elsebegin
rx_state <= 1'b1;
end
end
endcase
// when tx_fifo_cnt from greater than to equal the txtrig,
// tx_int is active
case(tx_state)
1'b0: begin
if(tx_fifo_cnt == (uart_txtrig[3:0] + 1'b1)) begin
tx_state <= 1'b1;
end
elsebegin
tx_state <= 1'b0;
end
end
1'b1: begin
if(tx_fifo_cnt == uart_txtrig[3:0]) begin
uart_status[0] <= 1'b1;
tx_state <= 1'b0;
end
elsebegin
tx_state <= 1'b1;
end
end
endcase
// ARM write 1 clean 0