【紫光HiYou开源入门轻量级PCIE开发板PG2L25G】实验例程3-基于紫光FPGA 的UART 串口通信

在FPGA技术于5G、AI及低空经济等新兴领域持续“破圈”、国产替代加速的宏大背景下，小眼睛科技联合紫光同创及电子发烧友共同发起了“拥抱开源——一起来做FPGA开发板”的项目。历时半年，集结了100多位来自各行各业的工程师智慧，我们成功打造了这款凝聚集体心血的紫光HiYou开源开发板（OPHW-25H）。
这款基于国产紫光同创Logos-2系列芯片的开发板，不仅是千元内入门级产品中唯一配备PCIe接口的轻量级利器，更实现了从硬件设计到底层代码的全方位开源，旨在为广大开发者提供一个高性价比、高扩展性的国产FPGA学习与验证平台，共同点燃技术创新的火花。

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 1.实验简介

实验目的：

OPHW-25开发板集成了一路USB转串口模块，采用的USB-UART芯片CP2102,USB接口采用USBTypeC接口，可以用一根USBTypeC线连接到PC的USB口进行串口数据通信（详情请查看“OPHW-25开发板硬件使用手册”）。通过本实验实现FPGA与PC之间的串口收发实验。串口通信时波特率设置为115200bps，数据格式为1位起始位、8位数据位、无校验位、1位结束位。板子1s向串口助手发送一次十进制显示的“www.meyesemi.com”，通过串口助手向板子以十六进制形式发送数字（00~FF），LED以二进制显示亮起。

实验环境：

Window11

PDS2022.2

硬件环境：

OPHW-25开发板

2.实验原理

2.1.串口原理

从图 8.2-1我们可以看到标准串口接口是 9 根线，具体含义如下：

数据线：

TXD（pin 3）：串口数据输出(Transmit Data)

RXD（pin 2）：串口数据输入(Receive Data)

握手：

RTS（pin 7）：发送数据请求(Request to Send)

CTS（pin 8）：清除发送(Clear to Send)

DSR（pin 6）：数据发送就绪(Data Send Ready)

DCD（pin 1）：数据载波检测(Data Carrier Detect)

DTR（pin 4）：数据终端就绪(Data Terminal Ready)

地线：

GND（pin 5）：地线

其它：

RI（pin 9）：铃声指示

通常我们用 RS232 串口仅用到了9根传输线中的三根：TXD，RXD，GND。但是对于数据传输，双方必须对数据传输采用使用相同的波特率，约定同样的传输模式（传输架构，握手条件等）。尽管这种方法对于大多数应用已经足够，但是对于接收方过载的情况这种使用受到限制。

RS232 的串口连接方式：

串口传输协议如下：

起始位：先发出一个逻辑”0”信号，表示传输字符的开始。

数据位：可以是5~8位逻辑”0”或”1”。如ASCII码（7位），扩展BCD码（8 位）。LSB表示低位，MSB表示高位，有效数据的传输顺序为低位在前高位在后。

校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)。

停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。

空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送。

 

波特率：uart 中的波特率就可以认为是比特率，即每秒传输的位数(bit)。一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。其实意思就是每秒传输这么多个比特位数(bit)。

引入波特率的概念后可得到串口的传输节奏如下：

细心的话可以发现数据的传输都是在数据稳定后的中心时刻，接收数据其实也是，都是在中心时刻采集数据，此时的数据是最稳定的。

2.2.串口发送字符

从前面串口协议中可以了解到串口每次传输可以以有5～8bit数据，在计算机中字符通常用ASCII码（7bit）表示，所以字符的发送可以用ASCII码发送。查询ASCII码表格可得到：“www.meyesemi.com”用到的字符对应ASCII码；

3.实验源码设计

从实验目的分析可将实验做如下划分：

从原理上分析波特率的计算是一个计数器，发射和接收可复用，我们在设计时为保持TX，或RX的完整性，故将波特周期计数器集成在各自模块内部；

上述分析仅仅搭建好OPHW-25的与PC通信的桥梁UART，传输的数据没有体现。故而需要增加发送数据模块，与接收数据模块；

图 8.4-2

3.1.串口发送模块设计

目标：接收到一个发送命令信号时，将data[7:0]->依次发出{start,data[0:7],stop}共10bit数据（无校验位，停止位1bit）；

有两种方法可以将一个并行数据串行化；

方法一：通过bit计数与baud计数控制移位输出；

这段代码用于实现 UART 模块中每一位数据的发送逻辑。模块通过一个时钟同步控制信号 txd 的高低电平，从而实现串行数据的输出。

首先看第2-30行的 always 块逻辑，这是在每个时钟上升沿触发的时序逻辑。模块首先判断复位信号 rstn，如果复位有效，txd 被置为高电平 1'b1，保持串口空闲状态。因为 UART总是空闲高电平，复位时也要保证输出正确。

当复位结束后，如果传输使能信号 trans_en 有效，模块进入数据传输状态。代码通过 case语句根据 trans_bit 的值选择发送哪一位。具体来说，trans_bit 从 0 到 9 分别对应 UART串口的起始位、8 位数据位和停止位：当 trans_bit=0 时，发送起始位 0，表示数据传输开始；

当 trans_bit=1 到 8 时，依次发送数据寄存器 tx_data_reg[0]到 tx_data_reg[7]的数据位，按照从低位到高位顺序传输；当 trans_bit=9 时，发送停止位 1，表示数据传输结束；默认情况下，也保持高电平 1，保证空闲状态输出正确。

如果传输使能 trans_en 为无效状态，模块将 txd 保持高电平，这样可以保证 UART 总是在空闲时输出逻辑 1。

方法二：通过bit计数与baud计数控制状态跳转，在状态机中输出；

模块代码使用状态机实现了 UART 串口的字节发送功能，通过波特率控制时钟分频和状态机管理数据传输流程。模块以 50MHz 时钟为基础，通过参数 BPS_NUM 配置波特率的时钟周期数，例如 4800 波特率对应 10417 个时钟周期，9600 波特率对应 5208 个时钟周期，115200 波特率对应 434 个时钟周期。

代码的48行到166行是 UART 串口发送控制逻辑，主要用于将输入的字节数据 tx_data按照设定的波特率发送到串口输出 uart_tx，并通过 tx_busy 输出模块忙状态指示。

首先代码的48-51行是 tx_pluse 同步逻辑，通过寄存器 tx_pluse_reg 在每个时钟上升沿采样 tx_pluse 信号，用于检测发送触发的上升沿。紧接着在代码的54-60行，通过判断 tx_pluse 上升沿设置发送使能 tx_en，当检测到触发信号时拉高 tx_en，表示模块开始发送；当状态机进入发送结束状态 SEND_END 时，将 tx_en 清零，模块返回空闲状态。

代码的63-69行是波特率周期计数器 clk_div_cnt，用于将系统时钟分频以满足指定波特率。在每个波特周期计数完成或发送触发信号到来时清零计数器，否则每个时钟上升沿累加 1，实现对波特周期的精确控制。

在代码的72-82行，tx_bit_cnt 用于记录当前发送的数据位编号。在发送使能为低时计数器清零；在 SEND_DATA 状态下，每完成一个波特周期累加 1，发送完 8 位数据后清零，为发送停止位做好准备。

状态机逻辑在代码的89-134行实现。状态机共包含五个状态：IDLE（空闲）、SEND_START（发送起始位）、SEND_DATA（发送数据位）、SEND_STOP（发送停止位）和 SEND_END（发送结束）。状态跳转逻辑通过组合逻辑 tx_state_n 计算下一状态：在空闲状态检测到发送触发信号时进入起始位状态，发送一个波特周期的低电平后进入数据发送状态，依次发送8 位数据后进入停止位状态，发送一个波特周期的高电平后进入发送结束状态，最终回到空闲状态。状态更新在每个时钟上升沿通过 tx_state <=tx_state_n 完成。

在代码的135-168行是状态机的输出逻辑。在发送使能有效时，根据当前状态控制 uart_tx输出电平：空闲和结束状态输出高电平，起始位输出低电平，数据发送状态按 tx_bit_cnt 输出对应的数据位，停止位输出高电平；当发送使能无效时，输出保持高电平，保证串口线在空闲时为逻辑 1。

3.2.串口接收模块设计

串口接收模块是发射模块的逆过程，设计思路区别不大，但是有如下几点需要注意：

1.接收开始信号，当rx下降沿到来后保持几个时钟周期的低电平，表明进入接收start；

2.接收数据提取位置，前面讲发射的时候都是在波特周期开始的位置变更数据，接收数据提取时需要在rx稳定时刻取数，去波特周期的中间位置取数；

3.最终输出数据锁存，在最后1bit存入寄存器后需要对接收数据锁存，并在之后需要给出数据使能信号，表示输出数据有效；

Module设计如下：

串口接收模块代码的46行到158行是 UART 串口接收控制逻辑，主要用于从串口输入 uart_rx 接收字节数据，并输出接收数据 rx_data 与有效信号 rx_en，同时通过 rx_finish 指示接收过程是否完成。

46-50行是 uart_rx 信号同步逻辑，通过寄存器 uart_rx_1d 和 uart_rx_2d 在每个时钟上升沿采样 uart_rx 信号，消除异步信号干扰，并用于检测起始位。紧接着在52行，通过组合逻辑 start 检测字节起始信号，即串口线从高电平下降到低电平时标记一个字节接收开始。 rx_finish 信号在状态机进入 RECEIV_END 状态时拉高，表示接收过程完成。

而56-62行是波特率周期计数器 clk_div_cnt，用于将系统时钟分频以满足指定波特率。在空闲状态或计数达到波特周期时计数器清零，否则每个时钟上升沿累加 1。

在代码的67-77行，rx_bit_cnt用于记录当前接收的数据位编号。在空闲状态清零计数器；在RECEIV_DATA状态下，每完成一个波特周期累加1，接收完8位数据后清零，为接收停止位做好准备。

状态机逻辑在代码的83-129 行实现。状态机共包含五个状态：IDLE（空闲）、 RECEIV_START（接收起始位）、RECEIV_DATA（接收数据位）、RECEIV_STOP（接收停止位）和 RECEIV_END（接收结束）。状态跳转逻辑通过组合逻辑rx_state_n计算下一状态：空闲状态检测到start信号时进入起始位状态，接收一个波特周期的低电平后进入数据接收状态，依次接收8位数据后进入停止位状态，接收一个波特周期的高电平后进入结束状态，最终回到空闲状态；如果在结束状态检测到串口线被拉低，表示新字节开始接收，则跳转到起始位状态。状态更新在每个时钟上升沿通过rx_state <=rx_state_n完成。

132-158行是状态机的输出逻辑。在空闲和起始位状态，将接收数据缓冲寄存器和数据使能清零；在数据接收状态，通过在波特周期中间采样串口线的电平，将数据按低位先行的顺序填入缓冲寄存器；在停止位状态，将缓冲寄存器的值赋给输出寄存器rx_data并拉高rx_en表示数据有效；在结束状态清零缓冲寄存器，为下一次接收做好准备。

3.3.串口发送控制模块设计

目标：产生1S间隔的触发信号并输出第一个发送字节，busy的下降沿时输出下一个字节；

Module如下：

串口发送控制模块，用于按照固定时间间隔生成指定字符序列并通过串口发送。模块以系统时钟 clk 为基础，通过控制逻辑管理发送触发和数据输出。

代码的14行到98行是串口数据生成与发送控制逻辑，主要功能是每隔一定时间生成一个指定字符串（如 "www.meyesemi.comrn"）并通过 write_data 和 write_en 输出给 UART发送模块。

首先，代码的14-19行是时间计数器time_cnt，每个时钟上升沿累加1，用于实现发送周期控制，本实验中是实现功能是每秒触发一次字符串发送。

在22-30行，通过 work_en 信号控制串口发送工作区间：当time_cnt达到设定值时开始发送，当发送的数据量达到write_max_num-1时结束发送。work_en_1d在32-35行用于寄存器同步，实现发送使能的边沿检测。

38-42行通过寄存器tx_busy_reg同步tx_busy信号，并生成tx_busy_f信号，用于检测UART发送模块的忙状态下降沿，作为发送触发条件之一。

代码的45-57行生成write_pluse发送脉冲信号：在工作使能状态下，如果刚开始发送或检测到tx_busy下降沿，则拉高write_pluse，触发 UART 发送模块发送一个字节。

在59-65行，data_num 用于记录当前发送的字节序号：当发送结束且tx_busy下降沿出现时清零；当write_pluse有效时累加，为依次输出字符做索引。write_en在67-70行直接由write_pluse 同步输出。

在73-98行，通过case语句将data_num对应到具体ASCII字符，实现字符映射输出：如索引0-2输出'w'，索引4输出'.'，索引5-10输出"meyese"等，最后两个索引输出回车换行0x0d 0x0a， default情况下输出read_data。

3.4.串口实验顶层模块设计

目标：板子1s向串口助手发送一次十进制显示的“www.meyesemi.com”，通过串口助手向板子以十六进制形式发送数字，LED以二进制显示亮起。

Uart_data_gen模块产生一个间隔1S钟的触发信号，同时输出第一个发送字节，等待uart_tx输出的busy下降沿到来，获知uart_tx进入空闲状态可发送下一个byte时，再次给出串口发送的触发脉冲，并输出下一个字节；

Uart_rx模块接收到数据后输出一个rx_en信号（接收数据使能信号）、一组接收数据信号；接收的数据信号是锁存的，可直接点亮LED灯；

具体的module实现如下:

模块进行信号声明与内部连线数据生成模块实例化，实例化 uart_data_gen 模块，用于定时生成串口发送数据。UART 发送模块实例化（uart_tx），负责将 tx_data 按波特率发送到 uart_tx 输出端。UART 接收模块实例化（uart_rx）接收外部串口信号 uart_rx，并将接收到的数据输出到 rx_data，同时生成 rx_en 和 rx_finish 信号。37-38 行使用寄存器 receive_data缓存 LED 状态。72 行将 rx_data 直接输出到 LED，实现接收到的数据通过 LED 显示。

顶层模块主要是整合 UART 接收、数据生成和 UART 发送模块，实现了串口数据收发与 LED 显示功能。接收到的数据实时显示在 LED 上，同时模块可按照设定周期生成数据并通过 UART 发送，实现串口双向通信。

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 4.实验现象

用SSCOM串口调试工具，波特率设置为115200bps，数据格式为1位起始位、8位数据位、无校验位、1位结束位，用Type-C连接开发板与电脑后有如下现象：

实验现象一：在串口工具中每隔1S中打印一次：“www.meyesemi.com”；

实验现象二：

在串口工具上以Hex格式发送55；我们可看到OPHW-25板卡上的LED0,LED2为熄灭， LED1,LED3为点亮状态；

发送F0；我们可看到OPHW-25板卡上的LED0~3为熄灭。

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审核编辑 黄宇

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