Xilinx FPGA:vivado串口输入输出控制fifo中的数据

news2024/11/26 12:42:50

一、实验要求

实现同步FIFO回环测试,通过串口产生数据,写入到FIFO内部,当检测到按键信号到来,将FIFO里面的数据依次读出。

二、信号流向图

三、状态转换图

四、程序设计

(1)按键消抖模块

`timescale 1ns / 1ps
module key_debounce(
   input                  sys_clk    ,
   input                  rst_n      ,
   input                  key        ,
   output                 key_flag   
    );
//    parameter         delay = 10_000_00 ;
    parameter         delay = 10_0;//00_00 ; //测试用
    reg[19:0]         cnt      ;
    
    always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)
            cnt <= 0 ;
         else if ( key == 0 )begin
              if ( cnt == delay -1 )
                   cnt <= cnt ;
              else
                   cnt <= cnt +1 ;
         end
         else
         cnt <= 0 ;
         
   assign key_flag = ( cnt == delay - 2 )?1:0 ;
    
    
endmodule

(2)接收端模块

`timescale 1ns / 1ps
module rx_uart(
   input                    sys_clk   ,
   input                    rst_n     ,
   input                    rx_data   ,//[0]起始位 [12345678]数据位 [9]校验位 [10]停止位
   output     reg[7:0]     uart_data ,
   output     reg           rx_done  
    );
    parameter              SYSCLK = 50_000_000 ;
    parameter              Baud   = 115200     ; 
    parameter              COUNT  = SYSCLK/Baud; 
    parameter              MID    = COUNT/2    ; 
    
    //start_flag
    wire            start_flag     ;
    reg              rx_reg1        ;
    reg              rx_reg2        ;
    
    always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)begin
            rx_reg1 <= 1 ;
            rx_reg2 <= 1 ;
         end
         else
             begin
                  rx_reg1 <= rx_data ;
                  rx_reg2 <= rx_reg1 ;
             end
    assign  start_flag = ~rx_reg1 & rx_reg2  ;
    
    ///rx_flag
    reg               rx_flag   ;
    reg[4:0]          cnt_bit   ;
    reg[9:0]          cnt       ;
    
    always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)
            rx_flag <= 0 ;
         else if ( start_flag == 1 )
            rx_flag <= 1 ;
         else if ( cnt_bit == 10 && cnt == COUNT -1 )
            rx_flag <= 0 ;
         else
            rx_flag <= rx_flag  ;
    
    ///cnt434
     always@(posedge sys_clk )
          if(!rst_n)
             cnt <= 0 ;
          else if ( rx_flag == 1 )begin
               if ( cnt == COUNT -1 )
                    cnt <= 0 ;
               else
                    cnt <= cnt +1 ;
          end
          else
          cnt <= 0 ;
     
     //cnt_bit
     always@(posedge sys_clk )
           if(!rst_n)
              cnt_bit <= 0 ;
           else if ( rx_flag == 1 )begin
                if ( cnt == COUNT - 1 )begin
                    if ( cnt_bit == 10 )
                         cnt_bit <= 0 ;
                    else
                         cnt_bit <= cnt_bit +1 ;
                end
                else
                cnt_bit <= cnt_bit ;                   
           end
           else
           cnt_bit <= 0 ;
    
    //data_reg
    reg[8:0]             data_reg  ; 
    always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)         ///cnt_bit : [0] 12345678 [9] [10]
            data_reg <= 0 ;///data_reg : 01234567 [8]
         else if ( rx_flag == 1 )begin
              if ( cnt_bit > 0 && cnt_bit < 10 && cnt == MID - 1 )
                  data_reg[ cnt_bit - 1 ] <= rx_data ;
              else
                  data_reg <= data_reg  ;
         end
         else
         data_reg <= 0 ;
  
  ///check
     reg                 check  ;
     parameter          MODE_CHECK = 0 ;     
     always@(posedge sys_clk )
          if(!rst_n)
             check <= 0 ;
          else if ( rx_flag == 1 )begin
               if ( cnt_bit == 10 )
                   check <= ^data_reg ;
               else
                   check <= check ;
          end
          else
          check <= 0 ;
   
   //uart_data
     always@(posedge sys_clk )
          if(!rst_n)
            uart_data <= 0 ;
          else if ( rx_flag == 1 )begin
               if ( cnt_bit == 10 && cnt == MID - 1 && check == MODE_CHECK )
                    uart_data <= data_reg[7:0] ;
               else
                    uart_data <= uart_data ;
          end
          else
          uart_data <= uart_data  ;
     
     ///rx_done
     always@(posedge sys_clk )
          if(!rst_n)
             rx_done <= 0 ;
          else if ( rx_flag == 1 )begin
               if ( cnt_bit == 10 && cnt == COUNT -1 )
                    rx_done <= 1 ;
               else
                    rx_done <= 0 ;
          end
          else
          rx_done <= 0 ;
            

    
endmodule

(3)发送端模块

`timescale 1ns / 1ps
module tx_uart(
   input                 sys_clk    ,
   input                 rst_n      ,
   input     [7:0]       fifo_out  ,
   input                 tx_start    ,
   output   reg          tx_data    ,
   output   reg          tx_done 
    );
    parameter                 SYSCLK = 50_000_000 ; 
    parameter                 Baud   = 115200     ;    
    parameter                 COUNT  = SYSCLK/Baud;   
    parameter                 MID    = COUNT/2    ;
    
    //start_flag
    reg              tx_reg1 ;
    reg              tx_reg2 ;
    wire            start_flag ;
    
    always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)begin
            tx_reg1 <= 0 ;
            tx_reg2 <= 0 ;
            end
         else
             begin
                 tx_reg1 <= tx_start  ;
                 tx_reg2 <= tx_reg1  ;
             end
    assign  start_flag = tx_reg1 & ~tx_reg2 ;
    
    //tx_flag
    reg               tx_flag  ;
    reg[4:0]          cnt_bit  ;
    reg[9:0]          cnt      ;
    
    always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)
            tx_flag <= 0 ;
         else if ( start_flag == 1 )
            tx_flag <= 1 ;
         else if ( cnt_bit == 10 && cnt == COUNT -1 )
            tx_flag <= 0 ;
         else
            tx_flag <= tx_flag ;
    
   ///cnt
   always@(posedge sys_clk )
        if(!rst_n)
           cnt <= 0 ;
        else if ( tx_flag == 1 )begin
             if ( cnt == COUNT -1 )
                  cnt <= 0 ;
             else
                  cnt <= cnt +1 ;
        end
        else
        cnt <= 0 ;
    
    ///cnt_bit 
    always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)
            cnt_bit <= 0 ;
         else if ( tx_flag == 1 )begin
              if ( cnt == COUNT -1 )begin
                  if ( cnt_bit == 10 )
                       cnt_bit <= 0 ;
                  else
                       cnt_bit <= cnt_bit +1 ;
              end
              else
              cnt_bit <= cnt_bit ;
         end
         else
         cnt_bit <= 0 ;
    
    //tx_data
    parameter               MODE_CHECK = 0 ;
    always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)        //cnt_bit:[0] 12345678 [9] [10]
            tx_data <= 0 ; //uart_data: 01234567
         else if ( tx_flag == 1 )begin
              if ( cnt_bit > 0 && cnt_bit < 9 && cnt == MID -1 )
                   tx_data <= fifo_out[ cnt_bit -1 ] ;
              else if ( cnt_bit == 0 )
                   tx_data <= 0 ;
              else if ( cnt_bit == 10)
                   tx_data <= 1 ;
              else if ( cnt_bit == 9 )
                   tx_data <= ( MODE_CHECK == 0 )?^fifo_out:~^fifo_out ;
              else
                   tx_data <= tx_data ;    
         end
         else
         tx_data <= 1 ;
    
    ///tx_done
     always@(posedge sys_clk )
          if(!rst_n)
             tx_done <= 0 ;
          else if ( tx_flag == 1 )begin
               if ( cnt_bit == 10 && cnt == COUNT -1 )
                    tx_done <= 1 ;
               else
                    tx_done <= 0 ;
          end
          else
          tx_done <= 0 ;

    
endmodule

(4)fifo控制模块

`timescale 1ns / 1ps
module common_fifo_ctrl(
    input                   sys_clk    ,
    input                   rst_n      ,
    input     [7:0]         uart_data  ,
    input                   rx_done    ,
    input                   tx_done    ,
    input                   key_flag   ,
    output     reg          tx_start   ,
    output     reg[7:0]     fifo_out   

    );
    reg  [7 : 0] din  ;       
    reg  wr_en        ;     
    reg  rd_en        ;     
    wire [7 : 0] dout      ; 
    wire full              ;
    wire wr_ack            ;
    wire empty             ;
    wire valid             ;
    wire [3 : 0] data_count;
   
    localparam                  IDLE   = 3'd0 ;
    localparam                  WRITE  = 3'd1 ;
    localparam                  WAIT   = 3'd2 ;
    localparam                  TEXT   = 3'd3 ;
    
    reg[2:0]                    cur_state   ;
    reg[2:0]                    next_state  ;
    
    //state1
    always@(posedge sys_clk )
         if(!rst_n)
            cur_state <= IDLE ;
         else
            cur_state <= next_state ;
     
     //state2
     always@(*)
           case(cur_state)
                 IDLE  :
                        begin
                            next_state = WRITE ;
                        end
                 WRITE :
                        begin
                            if( full == 1 )
                               next_state = WAIT ;
                            else
                               next_state = cur_state ;
                        end
                 WAIT  :
                        begin
                            if ( key_flag == 1 )
                                next_state = TEXT ;
                            else
                                next_state = cur_state ;
                        end
                 TEXT  :
                        begin
                            if( empty == 1 )
                                next_state = IDLE ;
                            else
                                next_state = cur_state ;
                        end
           default:;
           endcase
    
    ///state3
     always@(posedge sys_clk )
          if(!rst_n)begin
              din   <= 0 ;
              wr_en <= 0 ;       
              rd_en <= 0 ; 
              fifo_out <= 0 ;
              tx_start <= 0 ;      
          end
          else
              case(cur_state)
                   IDLE  :
                           begin
                                 din   <= 0 ;     
                                 wr_en <= 0 ;     
                                 rd_en <= 0 ;     
                                 fifo_out <= 0 ;  
                                 tx_start <= 0 ;  
                           end
                   WRITE :
                           begin
                               if ( rx_done )begin
                                   wr_en <= 1 ;     
                                   din <= uart_data ;
                                   end
                                else
                                   wr_en <= 0 ;
                           end
                   WAIT  :
                          begin
                               tx_start <= 0 ;
                               if (key_flag == 1 ) //只有一个时钟周期能读完吗?
                                   rd_en <= 1 ;    //答:此时uart_data是并行数据,传输仅需1个时钟周期
                                else
                                   rd_en <= 0 ;
                          end
                   TEXT  :  
                          begin
                               if(valid)
                                  tx_start <= 1 ;
                               else
                                  tx_start <= 0 ;
                               
                               if(tx_done)
                                  rd_en <= 1 ;
                               else
                                  rd_en <= 0 ;
                                  
                               if(valid)
                                  fifo_out <= dout ;
                               else
                                  fifo_out <= fifo_out ;
                          end
              
              default:;
              endcase
              


//----------- Begin Cut here for INSTANTIATION Template ---// INST_TAG
fifo_generator_0 fifo1 (
  .clk(sys_clk ),                // input wire clk
  .srst(~rst_n),              // input wire srst
  .din(din),                // input wire [7 : 0] din
  .wr_en(wr_en),            // input wire wr_en
  .rd_en(rd_en),            // input wire rd_en
  .dout(dout),              // output wire [7 : 0] dout
  .full(full),              // output wire full
  .wr_ack(wr_ack),          // output wire wr_ack
  .empty(empty),            // output wire empty
  .valid(valid),            // output wire valid
  .data_count(data_count)  // output wire [3 : 0] data_count
);
// INST_TAG_END ------ End INSTANTIATION Template ---------

endmodule

(5)顶层

`timescale 1ns / 1ps
module TOP(
   input                    sys_clk    ,
   input                    rst_n      ,
   input                    key        ,
   input                    rx_data    ,
   output                   tx_data  
    );
  ///key_debounce
  wire              key_flag  ;
  key_debounce key_debounce_u1(
                              .    sys_clk  (sys_clk )  ,
                              .    rst_n    (rst_n   )  ,
                              .    key      (key     )  ,
                              .    key_flag (key_flag)  
    );
 
 ///uart_rx
 wire       [7:0]       uart_data  ;
 wire                   rx_done    ;
 rx_uart rx_uart_u1(
                              .    sys_clk  ( sys_clk )  ,
                              .    rst_n    ( rst_n   )  ,
                              .    rx_data  ( rx_data )  ,//[0]起始位 [12345678]数据位 [9]校验位 [10]停止位
                              .   uart_data (uart_data)  ,
                              .    rx_done  ( rx_done ) 
    );

///uart_tx
wire               tx_done   ;
wire    [7:0]       fifo_out  ;
wire               tx_start  ; 
tx_uart tx_uart_u1(
                              .   sys_clk    (sys_clk  ) ,
                              .   rst_n      (rst_n    ) ,
                              .   fifo_out   (fifo_out ) ,
                              .   tx_start   (tx_start  ) ,
                              .   tx_data    (tx_data  ) ,
                              .   tx_done    (tx_done  )
    );
 
 ///fifo
   common_fifo_ctrl common_fifo_ctrl_u1(
                              .     sys_clk    (sys_clk  )     ,
                              .     rst_n      (rst_n    )     ,
                              .     uart_data  (uart_data)     ,
                              .     rx_done    (rx_done  )     ,
                              .     tx_done    (tx_done  )     ,
                              .     key_flag   (key_flag )     ,
                              .     tx_start   (tx_start )     ,
                              .     fifo_out   (fifo_out )     

    );
   
   
   
   
 
 
 
 
 
  
endmodule

五、仿真结果

程序:

`timescale 1ns / 1ps
module test_TOP(  );
    
   reg                sys_clk    ;
   reg                rst_n      ;
   reg                key        ;
   reg                rx_data    ;
   wire               tx_data    ;
  
      
   parameter               SYSCLK = 50_000_000 ;
   parameter               Baud   = 115200     ;
   parameter               COUNT  = SYSCLK/Baud;
   parameter               MID    = COUNT/2    ;
   
   initial
          begin
               sys_clk = 0 ;
               rst_n   = 0 ;
               key     = 1 ;
               #10
               rst_n   = 1 ;
               #200000
               key     = 0 ;
          end
   always  #1  sys_clk = ~sys_clk ;
   
   initial
          begin
               uart_out ( 8'hCC );
               uart_out ( 8'hE8 );
               uart_out ( 8'h18 );
               uart_out ( 8'h78 );
               uart_out ( 8'h66 );
               uart_out ( 8'h1E );
               uart_out ( 8'hCC );
               uart_out ( 8'h9F );
               uart_out ( 8'h66 );
               uart_out ( 8'h9F );
               uart_out ( 8'h33 );
               uart_out ( 8'h1E );
               uart_out ( 8'hCC );
               uart_out ( 8'h9F );
               uart_out ( 8'h18 );
               uart_out ( 8'h33 );
               uart_out ( 8'hCC );
          end
   
   
   
   //任务函数
   task            uart_out  ;
       input    [8:0]    DATA   ;
       begin
            rx_data = 1 ; ///空闲位初始
            #20
            rx_data = 0 ;
            #(COUNT*2)    rx_data = DATA[0]  ;
            #(COUNT*2)    rx_data = DATA[1]  ;
            #(COUNT*2)    rx_data = DATA[2]  ;
            #(COUNT*2)    rx_data = DATA[3]  ;
            #(COUNT*2)    rx_data = DATA[4]  ;
            #(COUNT*2)    rx_data = DATA[5]  ;
            #(COUNT*2)    rx_data = DATA[6]  ;
            #(COUNT*2)    rx_data = DATA[7]  ;
            #(COUNT*2)    rx_data = 0        ;
            #(COUNT*2)    rx_data = 1        ;
            #(COUNT*2)                       ;
       end
   endtask

   
 
 TOP TOP_1(
            .     sys_clk (sys_clk)   ,
            .     rst_n   (rst_n  )   ,
            .     key     (key    )   ,
            .     rx_data (rx_data)   ,
            .     tx_data (tx_data) 
    );






endmodule

实验结果:

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