4、UART接收器
UART接收器负责接收串行比特流，去除起始位和停止位，并以并行格式将数据保存到与主机数据总线相连的寄存器里。接收器无法获得发送时钟，因此尽管数据以标准比特率到达，但数据未必与接收主机内的时钟同步。同步问题可以用同步器等方法解决，数据的采集可以使用一个更高频率的本地时钟进行采样。为保证采样是在比特时间的中间进行，应对Sample_clock时钟周期进行计数，如下图所示。采样方法必须保证：（1）能够检测到起始位到达；（2）能够采样到8个数据位；（3）能够把采样数据送到本地总线。
虽然可以采用更高的采样频率，但本例中Sample_clock的频率定为（已知）发送时钟频率的8倍。这可以保证Sample_clock前沿与起始位之间的少许差异不会影响采样，因为只需在起始位对应的比特时间之内采样完成即可。具体来说，就是当串行输入被采样为低电平后表示起始位到来，而后将再进行三次采样增加可信度，在此后的连续数据位都将在比特时间的中间附近被采样（即控制两次采样间隔时间是比特时间），这是通过数据通路中的计数器来实现的。
下图给出了接收器的内部框图，包括控制单元和数据通路，可以看到其中控制单元和主机之间的接口信号，已经控制单元和数据通路之间的控制信号与状态信号。
控制单元的输入信号及其作用：
read_not_ready_in：表示主机未准备好接收。
Ser_in_0：当Serial_in = 0时有效，是由数据通路提供的状态信号。
SC_eq_3：当Sample_counter = 3时有效，是由数据通路提供的状态信号。
BC_er_8：当Sample_count < 7时有效，是由数据通路提供的状态信号。
Sample_counter：对两次采样间隔进行计数。
Bit_counter：计数已采样的数据位数。
控制单元的输出信号及其作用：
read_not_ready_out：表示接收机已接收到8位数据。
clr_Sample_counter：控制数据通路的Sample_counter计数器清零。
inc_Sample_counter：控制数据通路的Sample_counter计数值加1。
clr_Bit_counter：控制数据通路的Bit_counters计数器清零。
inc_Bit_counter：控制数据通路的Bit_counters计数值加1。
shift：控制数据通路的RCV_shftreg向LSB方向移位。
load：控制数据通路的RCV_shftreg数据传送到RCV_datareg。
Error1：最后一个数据位采样结束后主机还没有准备好接收数据时有效。
Error2：停止位丢失时有效。
接收器控制器状态机ASMD如下图所示。该状态机包括idle、starting和receiving三个状态。状态之间的转移由Sample_clk来同步。低有效的同步复位输入rst_b使状态机进入idle状态，直到状态信号Ser_in_0变为高电平（串行输入为0）后状态机进入starting状态。在starting状态下，状态机重复采样Serial_in以确认是否是有效起始位。在Sample_clock的下一个有效沿，clr_Sample_counter和inc_Sample_counter需根据采样值确认是增加计数值还是清零：若接下来的连续三次采样值均为0，则认定为有效起始位，状态机转移到receiving状态并将给出clr_Sample_counter信号控制Sample_counter清零。在receiving状态下inc_Sample_counter将控制Sample_counter计数值增加以进行8个时钟周期的计时，对每个有效比特，在其比特时间的中间采样，总共采样7位数据位，1位校验位，Bit_counter增加。若采样的不是校验位，则inc_Bit_counter和shift持续有效。信号shift有效时，串行输入将载入接收器的移位寄存器RCV_shftreg的MSB位，且寄存器最左边的7位将向LSB方向移动。
module UART_RCVR #(parameter word_size = 8, half_word = word_size / 2)(
output [word_size - 1 : 0]RCV_datareg,
output read_not_ready_out,
Error1, Error2,
input Serial_in,
read_not_ready_in,
Sample_clk,
rst_b
);
wire Ser_in_0, SC_eq_3, SC_lt_7, BC_eq_8,
clr_Sample_counter, inc_Sample_counter,
clr_Bit_counter, inc_Bit_counter,
shift, load;
Control_Unit M0(read_not_ready_out, Error1, Error2, clr_Sample_counter,
inc_Sample_counter, clr_Bit_counter, inc_Bit_counter,
shift, load, read_not_ready_in, Ser_in_0, SC_er_3,
SC_lt_7, BC_er_8, Sample_clk, rst_b);
Datapath_Unit M1(RCV_datareg, Ser_in_0, SC_eq_3, SC_lt_7, BC_eq_8, Serial_in,
clr_Sample_counter, inc_Sample_counter, clr_Bit_counter,
inc_Bit_counter, shift, load, Sample_clk, rst_b);
endmodule
module Control_Unit #(parameter word_size = 8, half_word = word_size / 2,
Num_state_bits = 2)(
output reg read_not_ready_out,
Error1, Error2, clr_Sample_counter,
inc_Sample_counter, clr_Bit_counter, inc_Bit_counter,
shift, load
input read_not_ready_in, Ser_in_0, SC_er_3,
SC_lt_7, BC_er_8, Sample_clk, rst_b
);
localparam idle = 2'b00,
starting = 2'b01,
receiving = 2'b10;
reg [word_size - 1 : 0] RCV_shftreg;
reg [Num_state_bits - 1 : 0] state, next_state;
always@(posedge Sample_clk)
if(rst_b == 0)
state <=idle;
else
state <= next_state;
always@(*)begin
read_not_ready_out = 0;
clr_Sample_counter = 0;
clr_Bit_counter = 0;
inc_Sample_counter = 0;
inc_Bit_counter = 0;
shift = 0;
Error1 = 0;
Error2 = 0;
load = 0;
next_state = idle;
case(state)
idle: if(Ser_in_0 == 1)
next_state = starting;
else
next_state = idle;
starting: if(Ser_in_0 == 0)begin
next_state = idle;
clr_Sample_counter = 1;
end
else if(SC_eq_3 == 1)begin
next_state = receiving;
clr_Sample_counter = 1;
end
else begin
next_state = starting;
inc_Sample_counter = 1;
end
receiving: if(SC_lt_7 == 1)begin
inc_Sample_conter = 1;
next_state = receiving;
end
else begin
clr_Sample_counter = 1;
if(!BC_eq_8)begin
next_state = receiving;
shift = 1;
inc_Bit_counter = 1;
end
else begin
next_state = idle;
read_not_ready_out = 1;
clr_Bit_counter = 1;
if(read_not_ready_in == 1)
Error1 = 1;
else if(Ser_in_0 == 1)
Error2 = 1;
else
Load = 1;
end
end
default: next_state = idle;
endcase
end
endmodule
module Datapath_Unit #(parameter word_size = 8, half_word = word_size / 2,
Num_counter_bits = 4)(
output reg [word_size - 1 : 0] RCV_datareg,
output Ser_in_0,SC_eq_3, SC_lt_7, BC_eq_8,
input Serial_in, clr_Sample_counter, inc_Sample_counter, clr_Bit_counter,
inc_Bit_counter, shift, load, Sample_clk, rst_b
);
reg [word_size - 1 : 0] RCV_shftreg;
reg [Num_counter_bits - 1 : 0] Sample_counter;
reg [Number_counter_bits : 0] Bit_counter;
assign Ser_in_0 = (Serial_in == 0);
assign BC_eq_8 = (Bit_counter == word_size);
assign SC_lt_7 = (Sample_counter < word_size - 1);
assign SC_eq_3 = (Sample_counter == half_word - 1);
always@(posedge Sample_clk)
if(rst_b == 0)begin
Sample_counter <= 0;
Bit_counter <= 0;
RCV_datareg <= 0;
RCV_shftreg <= 0;
end
else begin
if(clr_Sample_counter == 1)
Sample_counter <= 0;
else if(inc_Sample_counter == 1)
Sample_counter <= Sample_counter + 1;
if(clr_Bit_counter == 1)
Bit_counter <= Bit_counter;
else if(inc_Bit_counter == 1)
Bit_counter <= Bit_counter + 1;
if(shift == 1)
RCV_shftreg <= {Serial_in, RCV_shftreg[word_size - 1 : 1]};
else if(load == 1)
RCV_datareg <= RCV_shftreg;
end
endmodule以上内容来源于《Verilog HDL高级数字设计》，有删改
