常用通信协议总结及FPGA实现

oponi · 发表于 2021-8-20 09:44

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1.UART

UART是异步串行通信口的总称。它所包含的RS232\RS449\RS423等等是对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准。他们规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和机械特性等一系列内容，实际上属于通信网络的底层概念，与通信协议没有直接关系。

几个相关名词的解释：

·波特率：每秒钟传送的bit的个数。

·起始位：先发出一个逻辑0的信号，表示传输数据的开始。

·数据位：衡量通信中实际数据位的参数，标准数据位可以是5、7、8位，从最低位开始传输。

·奇偶校验位：UART发送时，检查发送数据中“1”的个数，自动在奇偶校验位添加1/0，用于发送数据的校验。

·停止位：一个数据的结束标志，可以为1位、1.5位、2位的高电平。

·空闲位：处于逻辑1状态，表示当前线路上无数据传输。

      ·发送数据过程：空闲状态，线路处于高电平，当收到发送数据指令后，拉低电平一个数据位的时间，接着数据按从低位到高位依次发送，数据发送完毕，接着发送奇偶校验位和停止位（停止位为高电平），一帧数据发送结束。

      ·接收数据过程：空闲状态，线路处于高电平，当检测到线路的下降沿，说明线路有数据传输，按照约定的波特率从低位到高位接收数据，数据接收完毕，接着接收并比较奇偶校验位是否正确，如果正确则通知接收端设备准备接收数据或存入缓存。

      由于UART是异步传输，没有同步传输时钟。为保证数据传输的正确性，每个数据有16个时钟采样，取中间的采样值，以保证不会误码或滑码。

·设计实例：

下面是一个UART的回环实例代码设计：

接收模块uart_rx:
module uart_rx(
input rxd,
input clk,
output receive_ack,
output reg [7:0] data_i
);

parameter IDLE = 0;
parameter RECEIVE = 1;
parameter RECEIVE_END = 2;

reg [3:0] CS,NS;
reg [4:0] count;
reg [7:0] data_o_tmp;

always@(posedge clk)
      CS <= NS;

always@(*) begin
      NS <= CS;
      case(CS)
         IDLE:    if(!rxd) NS = RECEIVE;
         RECEIVE: if(count == 7) NS = RECEIVE_END;else NS = NS;
         RECEIVE_END:NS = IDLE;
         default: NS = IDLE;
      endcase
end

always@(posedge clk)
      if(CS == RECEIVE)
         count <= count + 1;
      else if(CS == IDLE | CS == RECEIVE_END)
         count <= 0;

always @(posedge clk)
      if(CS == RECEIVE)begin
         data_i[6:0] <= data_i[7:1];
         data_i[7] <= rxd;
      end

assign receive_ack = (CS == RECEIVE_END) ? 1 : 0;

endmodule

发送模块uart_tx:
module uart_tx(
input [7:0] data_o,
input    clk,
input    receive_ack,
output reg  txd
);
parameter IDLE       = 0;
parameter SEND_START = 1;
parameter SEND_DATA    = 2;
parameter SEND_END    = 3;

reg [3:0] CS,NS;
reg [4:0] count;
reg [7:0] data_o_tmp;

always @ (posedge clk)
      CS <= NS;

always @ (*) begin
      NS <= CS;
      case(CS)
         IDLE:    begin if(receive_ack) NS = SEND_START;  end
         SEND_START: begin NS = SEND_DATA;                end
         SEND_DATA:  begin if(count == 7) NS = SEND_END;    end
         SEND_END: begin if(receive_ack) NS = SEND_START;  end
         default: NS = IDLE;
      endcase
end

always @(posedge clk)
      if(CS == SEND_START)
         count <= count + 1;
      else if(CS == IDLE | CS == SEND_END)
         count <= 0;
      else
         count <= count;

always @(posedge clk)
      if(CS == SEND_START)
         data_o_tmp <= data_o;
      else if(CS == SEND_DATA)
         data_o_tmp[6:0] <= data_o_tmp[7:1];

always @(posedge clk)
      if(CS == SEND_START)
         txd <= 0;
      else if(CS == SEND_DATA)
         txd <= data_o_tmp;
      else if(CS == SEND_END)
         txd <= 1;

endmodule
module uart_tx(
input [7:0] data_o,
input    clk,
input    receive_ack,
output reg  txd
);
parameter IDLE       = 0;
parameter SEND_START = 1;
parameter SEND_DATA    = 2;
parameter SEND_END    = 3;

reg [3:0] CS,NS;
reg [4:0] count;
reg [7:0] data_o_tmp;

always @ (posedge clk)
      CS <= NS;

always @ (*) begin
      NS <= CS;
      case(CS)
         IDLE:    begin if(receive_ack) NS = SEND_START;  end
         SEND_START: begin NS = SEND_DATA;                end
         SEND_DATA:  begin if(count == 7) NS = SEND_END;    end
         SEND_END: begin if(receive_ack) NS = SEND_START;  end
         default: NS = IDLE;
      endcase
end

always @(posedge clk)
      if(CS == SEND_START)
         count <= count + 1;
      else if(CS == IDLE | CS == SEND_END)
         count <= 0;
      else
         count <= count;

always @(posedge clk)
      if(CS == SEND_START)
         data_o_tmp <= data_o;
      else if(CS == SEND_DATA)
         data_o_tmp[6:0] <= data_o_tmp[7:1];

always @(posedge clk)
      if(CS == SEND_START)
         txd <= 0;
      else if(CS == SEND_DATA)
         txd <= data_o_tmp;
      else if(CS == SEND_END)
         txd <= 1;

endmodule

特定波特率产生模块clk_div:
module clk_div(
input clk,
output reg clk_out
);

parameter baud_rata = 9600;
parameter div_num = 'd125_000_000 /baud_rata;  //分频数等于时钟频率除以想要得到的波特率
reg [15:0] num;

always @(posedge clk) begin
      if(num == div_num) begin
         num <= 0;
         clk_out <= 1;
      end
      else begin
         num <= num + 1;
         clk_out <= 0;
      end
end

endmodule
顶层文件uart_top:

module uart_top(
input clk,
input rxd,
output txd
);

wire clk_9600;
wire receive_ack;
wire [7:0] data;

uart_tx uart_tx
(
      .clk       (clk_9600),
      .txd       (txd),
      .data_o    (data),
      .receive_ack(receive_ack)
);

uart_rx uart_rx
(
      .clk       (clk_9600),
      .rxd       (rxd),
      .data_i    (data),
      .receive_ack(receive_ack)
);

clk_div clk_div
(
      .clk       (clk),
      .clk_out (clk_9600)
);

endmodule

2.PS/2
PS/2是一种双向同步串行通信协议。接口是一种6针的连接口，但只有四个引脚是有意义的，分别是Clock(时钟)、Data(数据)、VCC和GND。其中时钟和数据引脚是双向的。PS/2常用于连接某些输入设备，例如鼠标、键盘等。通信的两端通过时钟来同步，通过数据引脚来交换数据。任何一方想要抑制另外一方的通信，只需要将时钟引脚拉低即可。
如果是PC和PS/2键盘之间通信，PC必须做主机，即PC可以抑制键盘发送数据，而键盘不能抑制PC发送数据。
PS/2的每一位数据帧包含11-12位，具体含义如下：
数据位名称
说明
1个起始位
总是逻辑0
8个数据位
低位在前
1个奇偶校验位       奇校验
1个停止位

总是逻辑1
1个应答位       仅用在主机对设备的通信中

由设备产生时钟和数据，主机根据时钟来读取数据。以FPGA和PS/2键盘为例，键盘产生时钟和数据，FPGA只需要读数据。当时钟下降沿时，FPGA记录数据信号。
·设计实例：
主机为FPGA，根据PS/2的时序，得到键盘的按键值。虽然在时序图中，主机是在时钟下降沿读取数据，但实际上要为了排除噪声干扰，需要在FPGA端对信号进行滤波。下面给出设计代码。
module ps2_keyboard(
input clk,
input clr,
input PS2C,    //ps2 clk in
input PS2D,    //ps2 data in

output [15:0] xkey
);
reg       PS2CF;
reg       PS2DF;
reg [7:0] ps2c_filter;
reg [7:0] ps2d_filter;
reg [10:0]  shift1;
reg [10:0]  shift2;

assign xkey = { shift2[8:1], shift1[8:1] };
always @(posedge clk or posedge clr) begin
if (clr) begin
      ps2c_filter <= 11'b0;
      ps2d_filter <= 11'b0;
      PS2CF <= 1;
      PS2DF <= 1;
end
else begin
      ps2c_filter[7] <= PS2C;
      ps2c_filter[6:0] <= ps2c_filter[7:1];
      ps2d_filter[7] <= PS2D;
      ps2d_filter[6:0] <= ps2d_filter[7:1];
      if(ps2c_filter == 8'b1111_1111)
         PS2CF <= 1;                      //去时钟毛刺
      else if(ps2c_filter == 8'b0000_0000)
         PS2CF <= 0;
      if(ps2d_filter == 8'b1111_1111)
         PS2DF <= 1;                      //去数据毛刺
      else if(ps2d_filter == 8'b0000_0000)
         PS2DF <= 0;
end
end

always @(negedge PS2CF or posedge clr) begin
if (clr) begin
      shift1 <= 11'b0;
      shift2 <= 11'b0;
end
else begin
      shift1 <= {PS2DF, shift1[10:1]};
      shift2 <= {shift1[0], shift2[10:1]};
end
end

endmodule

Jame33 · 发表于 2021-8-20 10:49

由于UART是异步传输，没有同步传输时钟。为保证数据传输的正确性，每个数据有16个时钟采样，取中间的采样值，以保证不会误码或滑码

Cyberbot7 · 发表于 2021-8-20 13:20

实际上属于通信网络的底层概念，与通信协议没有直接关系

芦根苏木 · 发表于 2021-8-20 13:27

接收数据过程：空闲状态，线路处于高电平，当检测到线路的下降沿，说明线路有数据传输，按照约定的波特率从低位到高位接收数据，数据接收完毕，接着接收并比较奇偶校验位是否正确，如果正确则通知接收端设备准备接收数据或存入缓存

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