實驗十二：串列埠模組① — 傳送

串列埠固然是典型的實驗，想必許多同學已經作爛，不過筆者還要循例介紹一下。我們知道串列埠有傳送與接收之分，實驗十二的實驗目的就是實現串列埠傳送，然而不同的是 ... 筆者會用另一種思路去實現串列埠傳送。

圖12.1 PS/2傳送時序與串列埠傳送時序。

如圖12.1所示，串列埠傳送時序相較PS/2傳送時序，串列埠傳送時序就像斷了翅膀的小鳥般，沒有時鐘訊號控制整個傳輸協議。除此之外，串列埠傳送時序與PS/2傳送時序近似的地方也非常驚人 ... 預設下，一幀PS/2資料有11位，對此一幀串列埠資料也有11位，其中位分配如表12.1所示：

表12.1 一幀串列埠資料的位分配。

如表12.1所示，[0]為拉低的起始位，[8:1]為任意填充的資料位，[9]為任意填充的校驗位，[10]為拉高的停止位。

圖12.2 FPGA傳送一幀串列埠資料（無視波特率）。

假設我們無視波特率，並且利用FPGA傳送一幀串列埠資料的話 ... 如圖12.2所示，一幀有11位的串列埠資料，一共使用了11個上升沿傳送出去，為此Verilog則可以這樣表示，結果如程式碼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

程式碼12.1

如程式碼12.1所示，暫存器D為11位寬的暫存器，並且驅動TXD輸出口，期間步驟0~11公按照i的位定址，將D1的內容逐個傳送出去。

雖然串列埠傳輸協議極為類似PS/2傳輸協議，但是串列埠傳輸協議也有區別的地方。其一串列埠傳輸協議有波特率的概念，而且串列埠協議有各種各樣的波特率，常用的波特率有9600 bps或者115200 bps，波特率最低為 110 bps，最高為 256000 bps（目前暫定）。所謂波特率就是一秒內，串列埠可以傳送多少位資料，此外波特率也是一位資料的週期，或者說是一位資料的保持時間，就拿115200 bps為例：

1/115200 = 8.68E-6

115200波特率的一位資料週期為 8.68us，如果用50Mhz 的時鐘頻率去量化的話：

( 1/115200 ) / (1/50E+6) = 8.68E-6 / 20E-9

= 434

圖12.3 FPGA傳送一幀串列埠資料（考慮波特率）。

如果圖12.3考慮115200的波特率，結果如圖12.3所示，每一位資料都保持434個時鐘

，為此Verilog可以這樣表示，如程式碼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

程式碼12.1

如程式碼12.1所示，步驟0~10不再保持一個時鐘，換之每個步驟都保持434個時鐘，因此每位TXD的傳送資料也保持 8.68us。

除此此外，串列埠傳輸協議不僅可以自定義波特率，串列埠傳輸協議也可以自定義一幀資料的位寬，自定義內容如表12.2所示：

表12.2 自定義一幀資料。

如表12.2所示，可以自定義的資料其中便包含資料位，預設下為1位元組，自定義內容則是5~9位，校驗位也可以設定為有或者無（預設下是有），停止位也可以增至2位（預設下是1位）。不管怎麼樣，表12.2是比較官方的自定義內容 ... 只要讀者歡喜，任何畸形的自定義內容也有可能實現。

理解完畢以後，我們便可以開始建模了。

圖12.4 實驗十二的建模圖。

圖12.4是實驗十二的建模圖，不過內容較為寒酸 ... 組合模組 tx_demo 內容包括一段核心操作，還有一隻TX功能模組。核心操作負責TX功能模組的呼叫，亦即控制溝通訊號還有Data的輸入。TX功能模組被使能以後，便將iData經由TXD輸出端傳送出去

，完後便反饋完成訊號以示一次性的操作已經完畢。

tx_funcmod.v

圖12.5 TX功能模組的建模圖。

如圖12.5所示，該模組的左方有問答訊號，還有8位的iData，至於右方則是 TXD 頂層訊號。此外，一幀資料的波特率為 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 )     

以上內容為相關的出入端宣告，第9行則是波特率為115200的常量宣告。

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

以上內容為相關的暫存器宣告以及復位操作。

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.                        

以上內容為部分核心操作。第26行的if( iCall ) 表示該模組不使能就不工作。步驟0用來準備傳送資料，其中 2’b11 是停止位與校驗位（隨便填），1’b0則是起始位。步驟1~11用來發送一幀資料。步驟12~13用來反饋完成訊號並返回步驟。

44.        assign TXD = rTXD;

45.        assign oDone = isDone;           

46.    

47.    endmodule

以上內容為驅動輸出的宣告。

tx_demo.v

連線部署直接看程式碼比較具體一點。

1.    module tx_demo

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         output TXD

5.    );

6.        wire DoneU1;

以上內容是相關的出入端宣告。

8.        tx_funcmod U1

9.         (

10.              .CLOCK( CLOCK ),

11.              .RESET( RESET ),

12.              .TXD( TXD ),

13.              .iCall( isTX ),

14.              .oDone( DoneU1 ),

15.             .iData( D1 )

16.         );

以上內容是TX功能模組的例項化，其中isCall由isTX驅動，iData由D驅動。

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

以上內容是相關的暫存器宣告，第23~28行則是這些暫存器的復位操作。

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

以上內容是核心操作的內容，步驟0傳送資料 8’hA1，步驟1傳送資料8’hA2，步驟2傳送資料 8’hA3。

編譯完畢便下載程式，並且將串列埠線連線至電腦與開發板。開啟串列埠除錯助手，波特率設為115200，資料位為8，校驗位隨便，停止位為1位 ... 事後，顯示方式設定為HEX（十六進位制）。當程式下載完畢以後，串列埠除錯助手便會出現 A1，A2與A3。

細節一： 完整的個體模組

實驗十二的TX功能模組已經是完整的個體，可以直接拿來呼叫。