基于VHDL实现的UART控制器教程及跑分分析

资源摘要信息:"UART VHDL_VHDL UART FI_fifo_vhdl uart_跑分" UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种广泛使用的串行通信协议，能够支持设备之间的异步通信。在数字电路设计中，尤其是在FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）和ASIC（Application-Specific Integrated Circuit，应用特定集成电路）设计中，使用VHDL（VHSIC Hardware Description Language，超高速集成电路硬件描述语言）实现UART通信控制器是一种常见的做法。本资源提供了UART控制器的VHDL实现，并已经经过跑分测试，分为四个模块进行开发，包括波特率生成器（baud.vhd）、发送器（uart_tx.vhd）、接收器（uart_rx.vhd）以及用于缓冲数据的FIFO（First-In-First-Out，先进先出）存储器（d.vhd）。以下是针对各个模块的知识点详细说明： 1. 波特率生成模块（baud.vhd）： - 波特率是指在串行通信中，每秒钟传输的比特数。波特率生成模块的作用是为UART控制器产生准确的时钟频率，以确保数据能够以预定的波特率进行发送和接收。 - 在VHDL中，波特率生成模块通常会使用时钟分频器（Clock Divider）的概念，通过计数时钟周期来生成对应波特率的时钟信号。 - 该模块需要能够接受时钟信号和波特率设置值作为输入，并输出同步的波特率时钟信号供其他模块使用。 2. 发送模块（uart_tx.vhd）： - UART发送模块负责将并行数据转换为串行数据流，并按照既定的波特率通过一个引脚发送出去。 - 发送过程中，数据首先被载入到寄存器中，然后按位顺序通过一个移位寄存器进行串行输出。 - UART通信通常包含起始位、数据位、可选的奇偶校验位和停止位，这些都需要在发送模块中得到支持。 - 发送模块还会处理数据帧的开始和结束，包括添加起始位和停止位，以及数据之间的间隔。 3. 接收模块（uart_rx.vhd）： - UART接收模块负责从外部设备接收串行数据流，并将其转换为并行数据。 - 接收模块需要检测起始位，随后根据预设的波特率采样数据位，并将其顺序存储到寄存器中。 - 同样，接收模块也支持数据校验，通常通过奇偶校验位来校验数据的完整性。 - 在接收数据完成后，模块需要能够通知其它模块数据已经准备好，通常通过信号输出实现。 4. FIFO存储器（d.vhd）： - FIFO是一种先进先出的数据结构，用于在数据的发送和接收方之间提供一个缓冲区。 - 在UART通信中，FIFO可以缓存数据，以适应发送和接收速率上的差异。 - FIFO模块在本资源中主要应用于接收模块，用于存储接收到的串行数据，直到它们被读取。 - FIFO存储器的设计通常包括读写指针、数据存储缓冲区以及状态标志，例如空（Empty）和满（Full）标志。 在数字系统设计中，将一个复杂的系统分解为多个协同工作的子模块是一种常见的设计方法，这样有助于提高代码的可维护性和可复用性。资源中的UART控制器正是按照这一设计理念进行构建的，每个模块都具有明确的职责，并通过接口与其他模块通信。 对于初学者而言，本资源不仅提供了UART控制器的完整实现，还提供了跑分测试报告，可以通过这些示例代码学习如何使用VHDL语言进行FPGA或ASIC设计，并理解UART通信协议的具体实现细节。初学者可以在理解这些基本模块的基础上，进一步学习如何在实际项目中进行接口设计、性能优化和故障排除。此外，也可以尝试扩展或修改这些模块，以满足不同的设计需求。