当前位置：首页 > news >正文

集成电路流片随笔10：UART模块tinyriscv 通信协议和RIB接口总线区别

news 来源：原创 2025/5/8 19:21:16

UART（通用异步收发传输）Universal Asynchronous Receiver-Transmitter模块，用于支持数据的串行通信。模块包括接收和发送数据的逻辑。

模块端口说明：

module uart(input wire clk,           // 时钟信号input wire rst,           // 复位信号input wire we_i,          // 写使能信号input wire[31:0] addr_i, // 地址信号input wire[31:0] data_i, // 写入数据output reg[31:0] data_o, // 读取数据output wire tx_pin,       // UART 发送数据引脚input wire rx_pin         // UART 接收数据引脚
);

we_i：写使能信号，控制是否可以向寄存器写数据。
addr_i：寄存器的地址信号，表示要访问哪个寄存器。
data_i：写入的数据，给 UART 寄存器。
data_o：读取的数据输出，来自 UART 寄存器。
tx_pin：UART 发送引脚，用于将数据发送到外部设备。
rx_pin：UART 接收引脚，用于接收外部设备发送的数据。

寄存器和常量定义：

localparam BAUD_115200 = 32'h1B8; // 50MHz时钟，波特率115200bps对应的分频系数
localparam S_IDLE = 4'b0001; // 状态机的空闲状态
localparam S_START = 4'b0010; // 启动状态
localparam S_SEND_BYTE = 4'b0100; // 发送字节状态
localparam S_STOP = 4'b1000; // 停止状态reg tx_data_valid;  // 发送数据有效
reg tx_data_ready;  // 发送数据准备好reg[3:0] state;     // 当前状态
reg[15:0] cycle_cnt; // 计数周期，用于波特率控制
reg[3:0] bit_cnt;    // 发送的位计数
reg[7:0] tx_data;    // 发送数据
reg tx_reg;           // 发送寄存器reg rx_q0;           // RX 引脚的延迟信号
reg rx_q1;           // RX 引脚的另一个延迟信号
wire rx_negedge;   
reg rx_start;         // RX使能
reg[3:0] rx_clk_edge_cnt; // RX 时钟边缘计数
reg rx_clk_edge_level;    // RX 时钟边缘电平
reg rx_done;          // RX 完成标志
reg[15:0] rx_clk_cnt; // RX 时钟计数
reg[15:0] rx_div_cnt; // RX 分频计数
reg[7:0] rx_data;    // 接收到的 RX 数据
reg rx_over;          // RX 超过标志// 寄存器地址
localparam UART_CTRL = 8'h0;
localparam UART_STATUS = 8'h4;
localparam UART_BAUD = 8'h8;
localparam UART_TXDATA = 8'hc;
localparam UART_RXDATA = 8'h10;

波特率和分频器：

波特率（Baud Rate）表示每秒钟传输的数据位数。在通信系统中，设置合适的波特率非常重要，因为它决定了数据传输的速度。

在此代码中，BAUD_115200 = 32'h1B8 用于设置 UART 模块的波特率为 115200。这是通过分频器来实现的。波特率分频器的作用是根据时钟频率（这里假设时钟频率是 50MHz）生成一个适合于 UART 数据传输的时钟信号。

如何计算波特率：

假设系统时钟是 50MHz（50,000,000 Hz），表示每秒钟有 5000 万个时钟周期。
UART 波特率（115200）意味着每秒钟发送 115200 个数据位（包括起始位、数据位、停止位等）。
为了实现这一目标，我们需要将系统时钟频率分频，得到每个数据位传输所需要的时间。

通过公式：
$\text{波特率分频器} = \frac{\text{系统时钟频率}}{\text{波特率}} = \frac{50000000}{115200} \approx 434.027$

这个结果表示我们需要将系统时钟频率分频到 115200 波特率，通常会进行四舍五入，得到分频器值 0x1B8。

`32'h1B8` 的含义：

32'h1B8 是一个 32 位十六进制数，它的值等于十进制的 440，这个数字就是分频器的值，表示将时钟频率除以 440 后，得到的时钟信号会有 115200 Hz 的频率，这样就达到了设置 115200 波特率的目的。

总结：

BAUD_115200 = 32'h1B8 表示将时钟分频到 115200 波特率所需的分频器值。在实际操作中，这个分频器值会用在生成 UART 波特率时钟的电路中，从而确保数据的正确传输速度。

寄存器控制和状态操作：

always @ (posedge clk) beginif (rst == 1'b0) beginuart_ctrl <= 32'h0;uart_status <= 32'h0;uart_rx <= 32'h0;uart_baud <= BAUD_115200;tx_data_valid <= 1'b0;end else beginif (we_i == 1'b1) begincase (addr_i[7:0])UART_CTRL: beginuart_ctrl <= data_i;endUART_BAUD: beginuart_baud <= data_i;endUART_STATUS: beginuart_status[1] <= data_i[1];endUART_TXDATA: beginif (uart_ctrl[0] == 1'b1 && uart_status[0] == 1'b0) begintx_data <= data_i[7:0];uart_status[0] <= 1'b1;tx_data_valid <= 1'b1;endendendcaseend else begintx_data_valid <= 1'b0;if (tx_data_ready == 1'b1) beginuart_status[0] <= 1'b0;endif (uart_ctrl[1] == 1'b1) beginif (rx_over == 1'b1) beginuart_status[1] <= 1'b1;uart_rx <= {24'h0, rx_data};endendendend
end

在时钟上升沿触发时，模块根据复位信号初始化或更新各个寄存器。
如果 we_i == 1 且地址匹配相应寄存器，则更新相应寄存器。
UART_TXDATA：当数据写入 UART_TXDATA 寄存器时，如果 uart_ctrl[0] 为 1（发送使能），且 uart_status[0] 为 0（发送空闲），则将数据写入 tx_data 并开始发送。

读取寄存器操作：

always @ (*) beginif (rst == 1'b0) begindata_o = 32'h0;end else begincase (addr_i[7:0])UART_CTRL: begindata_o = uart_ctrl;endUART_STATUS: begindata_o = uart_status;endUART_BAUD: begindata_o = uart_baud;endUART_RXDATA: begindata_o = uart_rx;enddefault: begindata_o = 32'h0;endendcaseend
end

这是一个组合逻辑块，用于根据 addr_i 地址读取 UART 寄存器的值并输出到 data_o。

发送数据（TX）：

always @ (posedge clk) beginif (rst == 1'b0) beginstate <= S_IDLE;cycle_cnt <= 16'd0;tx_reg <= 1'b0;bit_cnt <= 4'd0;tx_data_ready <= 1'b0;end else beginif (state == S_IDLE) begintx_reg <= 1'b1;tx_data_ready <= 1'b0;if (tx_data_valid == 1'b1) beginstate <= S_START;cycle_cnt <= 16'd0;bit_cnt <= 4'd0;tx_reg <= 1'b0;endend else begincycle_cnt <= cycle_cnt + 16'd1;if (cycle_cnt == uart_baud[15:0]) begincycle_cnt <= 16'd0;case (state)S_START: begintx_reg <= tx_data[bit_cnt];state <= S_SEND_BYTE;bit_cnt <= bit_cnt + 4'd1;endS_SEND_BYTE: beginbit_cnt <= bit_cnt + 4'd1;if (bit_cnt == 4'd8) beginstate <= S_STOP;tx_reg <= 1'b1;end else begin                tx_reg <= tx_data[bit_cnt];endendS_STOP: begintx_reg <= 1'b1;state <= S_IDLE;tx_data_ready <= 1'b1;endendcaseendendend
end

这是 UART 发送模块，使用状态机来控制数据的发送过程。
状态机：包括空闲状态（S_IDLE）、起始状态（S_START）、发送数据状态（S_SEND_BYTE）和停止状态（S_STOP）。
cycle_cnt：计数器用于生成波特率。
根据状态机的状态，数据位被依次发送到 tx_reg，并通过 tx_pin 引脚发送出去。

接收数据（RX）：

assign rx_negedge = rx_q1 && ~rx_q0;

rx_negedge：表示接收引脚的下降沿。当 rx_q1 为 1 而 rx_q0 为 0 时，意味着接收到数据的下降沿。rx_q0 是当前时钟周期的接收数据。rx_q1 是前一个时钟周期的接收数据。

接收数据的处理逻辑相对复杂，涉及对 RX 数据的采样、计时、数据转换等操作，通过这些操作来正确接收数据并最终将数据写入 uart_rx 寄存器。

总结：

这个 UART 模块 实现了一个 115200 波特率的串口通信模块。它包括：

数据发送和接收的功能。
通过控制寄存器设置波特率、使能接收发送等。
使用状态机控制数据的发送过程，确保每一位数据都在正确的时钟周期被发送。

广泛应用于串行设备的通信，如计算机与外部设备、嵌入式系统之间的通信等。

其他常见的通信接口，应用场景和通信特性

1. SPI (Serial Peripheral Interface)

用途：SPI 是一种同步串行通信协议，通常用于微控制器与外部外设（如传感器、存储设备、显示屏等）之间的数据交换。
特点：支持全双工通信，使用多个信号线（如：MOSI、MISO、SCK、CS），速度较快。
信号线：
- MOSI (Master Out Slave In)：主设备发送数据到从设备。
- MISO (Master In Slave Out)：从设备发送数据到主设备。
- SCK (Serial Clock)：时钟信号，由主设备提供。
- CS (Chip Select)：选择要与主设备通信的从设备。

2. I2C (Inter-Integrated Circuit)

用途：I2C 是一种同步串行通信协议，广泛应用于低速设备（如传感器、EEPROM、ADC等）之间的通信。
特点：支持多主机和多从机的配置，只需要两条信号线：数据线和时钟线。它是一个半双工通信协议，即数据传输和时钟信号共享。
信号线：
- SCL (Serial Clock)：时钟信号。
- SDA (Serial Data)：数据传输线。

3. CAN (Controller Area Network)

用途：CAN 是一种多主机的串行通信协议，常用于汽车电子和工业自动化系统中。它用于设备和控制器之间的通信，尤其在噪声环境下表现良好。
特点：支持高速的数据传输，具备错误检测和故障保护机制，可以在多个节点之间传输信息。
信号线：
- CAN_H 和 CAN_L：用于差分信号传输。

4. RS-232 (Recommended Standard 232)

用途：RS-232 是一种标准的串行通信协议，常用于计算机和外设（如调制解调器、打印机等）之间的连接。
特点：使用的信号电平与 TTL 和 CMOS 不同，通常通过 DB9 或 DB25 连接器实现。它的传输速度较低，传输距离有限。
信号线：
- TX（Transmitter）：数据输出。
- RX（Receiver）：数据输入。
- GND（Ground）：地线。

5. USB (Universal Serial Bus)

用途：USB 是一种广泛使用的串行通信协议，主要用于计算机和外部设备（如键盘、鼠标、打印机、存储设备等）之间的通信。
特点：支持即插即用，能够提供电力给外设，数据传输速率较高。
信号线：
- D+ 和 D-：数据传输线。
- Vcc：电源线。
- GND：地线。

6. Ethernet (以太网)

用途：Ethernet 是一种用于局域网（LAN）通信的标准协议，广泛应用于计算机、路由器、交换机等设备之间的网络通信。
特点：支持高速数据传输，广泛应用于家庭、办公和企业网络。
信号线：
- Tx+ 和 Tx-：发送数据。
- Rx+ 和 Rx-：接收数据。

7. Bluetooth

用途：蓝牙是一种短距离无线通信协议，广泛用于无线设备之间的通信，如耳机、鼠标、手机等。
特点：低功耗，适合短距离通信，支持点对点或点对多点通信。
信号：无线信号。

8. Wi-Fi

用途：Wi-Fi 是一种无线局域网通信协议，广泛用于无线互联网连接，常见于智能手机、笔记本电脑、路由器等设备中。
特点：支持高速无线网络通信，适合家庭、办公室等环境。
信号：无线信号。

9. MIPI (Mobile Industry Processor Interface)

用途：MIPI 是一种高带宽的串行通信接口，广泛应用于移动设备（如智能手机、平板电脑等）中的图像传输、显示、摄像头接口等。
特点：支持高数据速率和低功耗，常用于连接图像传感器、显示屏等设备。
信号线：
- D-PHY：用于高速数据传输。
- C-PHY：用于低功耗模式下的数据传输。

10. LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)

用途：LVDS 是一种低电压差分信号传输协议，常用于高速数据传输，例如在显示器、通信设备中。
特点：适用于高速信号传输，具有较低的功耗和噪声免疫能力。
信号线：
- LVDS+ 和 LVDS-：用于差分信号传输。

他们和RIB-接口总线的区别：

RIB (Request/Response Interface Bus)

1. RIB (Request/Response Interface Bus)

RIB 是一个 请求/响应总线接口，通常在复杂的系统设计中用于 主从结构 的通信。它通常用于在处理器和不同外设、模块之间进行通信。这种接口设计允许主设备（如 CPU 或其他控制器）向从设备发送请求，并等待从设备的响应。RIB 接口通常用于不同模块之间的低级别通信，例如 处理器与外设、内存、IO 设备之间的通信。

RIB 接口的特点：

主从通信：一个或多个主设备通过请求/响应的方式与从设备进行通信。
简单的请求-响应机制：主设备发出请求，从设备处理并返回响应。
支持不同的数据传输模式：可以使用简单的读/写操作进行通信，通常不涉及复杂的协议。
灵活性：RIB 可以与多种外设连接，如存储器、外部设备等。
接口信号：通常包括地址线、数据线和控制信号（如读写使能）。

RIB 用途示例：

内存接口：CPU 通过 RIB 向 RAM 发送读/写请求。
外设接口：CPU 向外设发出控制命令，并等待响应数据。

2. 与 UART, SPI, I2C 等接口的区别

UART：是一个 异步串行通信协议，常用于计算机与外设之间的数据通信，支持点对点的全双工传输。UART 是标准的串行接口，通常用于通信距离较远的设备（如计算机与调制解调器、传感器等）。
SPI：是一种 同步串行接口，用于主设备与多个从设备之间的高速数据传输。SPI 支持全双工通信，但它通常需要更多的信号线（如 MOSI、MISO、SCK 和 CS）。
I2C：是一种 同步串行接口，通常用于低速设备之间的通信。I2C 使用两条信号线（SDA 和 SCL）支持多主机和多从机的通信，适合低速设备。

关键区别：

协议类型：UART、SPI 和 I2C 都是标准的通信协议（通常涉及数据传输的格式、时序、错误处理等），而 RIB 主要是一个 硬件总线接口，用于简单的请求/响应通信。它通常不涉及复杂的协议。
数据传输模式：
- UART 是异步通信，而 SPI 和 I2C 是同步通信。
- RIB 则通常用于较低级别的控制信号和响应，没有复杂的数据协议，主要关注传输控制信号。
用途：
- UART、SPI 和 I2C 通常用于外设之间的数据交换，具有明确的协议和数据格式。
- RIB 更多用于 内部模块之间 的简单通信，如处理器与内存、外设之间的低级控制信号传递。

总结：

RIB 通常用于模块间的低级请求/响应式通信，通常不涉及复杂的协议。它是硬件设计中常见的总线接口，用于控制信号和基本数据的传输。
UART, SPI, 和 I2C 是不同的通信协议，涉及到更高层次的数据传输，并且通常用于 计算机与外设 或 外设与外设 之间的通信，且每种协议都有明确的通信规范。