verilog串口通信的接收与发送_UART协议

本文从应用层出发，讲解自定义的通信协议，暂且命名为 SLink，实现串口通信 多字节协议帧收发。

1、帧格式
帧是什么？不知道的我想你来错地方了。一帧数据包括多个字节，每个字节的含义由通信协议规定，即为帧格式。 帧格式描述常用的元素有：帧头、数据长度、有效载荷、校验、帧尾等等，当然，我们大可不必拘泥于这些元素，增删名用（增补、删除、命名、运用），仁者见仁，智者见智。

HEAD 帧头，固定值 8’hfa。
MARK 协议标识，固定值 8’hfe。
通常，在消息解析时，我们读到帧头就认为消息开始了，之后就按照格式开始逐字节解析。而这里，我们再加个协议标识判断，只有两者都符合，才认为消息开始。
EXT 扩展信息，内容由用户自定义，长度在参数中设置。
TAG 标签，表示消息类型。
LEN 有效载荷的字节长度。
VAL 有效载荷。
理论上，我们可配置特定消息类型对应的有效载荷长度固定，这样在解析到长度时，就能知道长度是否有误，若错误，则结束该帧的解析，进入下一帧，实践中，意义不大，留给大家去实现了。

2、消息解析
先说消息解析模块的接口描述，巧妇难为无米之炊，首先得要有数据给你解析，这里采用的是 逐字节解析 方式，所以有一个字节输入端口，还有一个脉冲控制信号输入端口，用于启动解析。消息处理是用户的事情，正所谓众口难调，这里只是将解析到的消息交给用户，管他蒸煮焖炖还是煎烤炒炸，所以还需要消息输出端口。

module SLinkParse #(parameter EXT_NBR = 2, // 扩展信息长度 VAL_SIZE = 8 // 最大有效载荷长度 ) ( input Clock, input nRst, input Parse, // 启动解析，由该脉冲信号控制逐字节解析 input [7:0] Word, // 待解析字节 // 解析到的数据：扩展信息(EXT)，标签(TAG)，有效载荷长度(LEN)，有效载荷(VAL) output reg [(EXT_NBR>0?EXT_NBR:1)*8-1:0] Ext, output reg [7:0] Tag, output reg [7:0] Len, output reg [(VAL_SIZE>0?VAL_SIZE:1)*8-1:0] Val, output reg Cplt // 解析完成，得到完整消息 ); 

接下来是解析过程，又是顺序操作，老套路，三段式状态机。主要来看看是如何得到次态的，对于单个字节的元素，我们以 Parse 启动解析信号 作为状态转移的条件，而对于多字节元素，以 接收到的字节数目 count 作为转移条件。另外，在解析帧头和协议标识时，还需判断数据是否相符。至于是否需要解析扩展信息或有效载荷，我们根据二者的长度进行判断，大于零才解析。

/* 得到次态的组合逻辑，用 = 赋值 */ always @(*) begin case (cstate) S_HEAD: nstate = Parse ? (Word == HEAD ? S_MARK : S_HEAD) : S_HEAD; S_MARK: nstate = Parse ? (Word == MARK ? (EXT_NBR ? S_EXT : S_TAG) : S_HEAD) : S_MARK; S_EXT: nstate = count == EXT_NBR + 'd1 ? S_TAG : S_EXT; S_TAG: nstate = Parse ? S_LEN : S_TAG; S_LEN: nstate = Parse ? (Word ? S_VAL : S_CPLT) : S_LEN; S_VAL: nstate = count == Len + 'd1 ? S_CPLT : S_VAL; S_CPLT: nstate = S_HEAD; default: nstate = S_HEAD; endcase end 

状态输出，形象的说就是各状态所执行的动作，直接贴上代码，前面说过，我们不对消息做任何处理，直接输出给用户，从中可看出主要就是 存储数据到相应的输出端口。

/* 状态输出（即相应状态需要执行的动作） */ always @(posedge Clock or negedge nRst) begin if (!nRst) begin count <= 'd0; Ext <= 'd0; Tag <= 'd0; Len <= 'd0; Val <= 'd0; Cplt <= 1'b0; end else begin case (cstate) S_HEAD: Cplt <= 1'b0; S_MARK: count <= 'd1; // 为存储扩展信息做准备 S_EXT: begin // 存储扩展信息，由低位到高位存储，先接收到的存在低位 Ext[count*8-1-:8] <= Parse ? Word : Ext[count*8-1-:8]; count <= Parse ? count + 'd1 : count; end S_TAG: Tag <= Parse ? Word : Tag; // 存储标签 S_LEN: begin Len <= Parse ? Word : Len; // 存储长度 count <= 'd1; // 为存储有效载荷做准备 end S_VAL: begin // 存储有效载荷，由低位到高位存储，先接收到的存在低位 Val[count*8-1-:8] <= Parse ? Word : Val[count*8-1-:8]; count <= Parse ? count + 'd1 : count; end S_CPLT: Cplt <= 1'b1; default: Cplt <= 1'b0; endcase end end 

3、打包发送
看到这里，本协议的核心已经讲完了，打包发送实际就是 串口的多字节发送，对串口多字节发送有问题的小伙伴可以看一看。接口描述涉及到底层的 UART 发送模块，因为我们最终调用它来发送数据。

module SLinkPack #(parameter EXT_NBR = 2, // 扩展信息长度 VAL_SIZE = 8 // 最大有效载荷长度 ) ( input Clock, input nRst, input Pack, // 启动打包发送 // 待发送消息：扩展信息(EXT)，标签(TAG)，有效载荷长度(LEN)，有效载荷(VAL) input [(EXT_NBR>0?EXT_NBR:1)*8-1:0] Ext, input [7:0] Tag, input [7:0] Len, input [(VAL_SIZE>0?VAL_SIZE:1)*8-1:0] Val, input TransCplt, // 由底层串口发送模块反馈的字节传输完成信号 output reg [7:0] Word, // 待发送字节，按照帧格式逐字节发送 output reg Trans, // 输出给底层串口发送模块的启动传输信号 output reg PackCplt // 打包发送完成 ); 

功能实现用的也是三段式状态机，总体思路就是：准备一串数据，发送一个字节，等待发送完成，再发送下一个字节。。。何时发送结束呢？加个计数器记录一下已发送的字节数，计数值到了，就发送完成了。得到次态的组合逻辑：

/* 得到次态的组合逻辑，用 = 赋值 */ always @(*) begin case (cstate) S_IDLE: nstate = Pack ? S_HEAD : S_IDLE; S_HEAD: nstate = S_MARK; S_MARK: nstate = TransCplt ? (EXT_NBR ? S_EXT : S_TAG) : S_MARK; S_EXT: nstate = count == EXT_NBR + 'd1 ? S_TAG : S_EXT; S_TAG: nstate = TransCplt ? S_LEN : S_TAG; S_LEN: nstate = TransCplt ? (Len ? S_VAL : S_CPLT) : S_LEN; S_VAL: nstate = count == Len + 'd1 ? S_CPLT : S_VAL; // 等待最后一个字节发送完成 S_CPLT: nstate = TransCplt ? S_IDLE : S_CPLT; default: nstate = S_IDLE; endcase end 

状态输出是什么呢？当然是根据帧格式，准备数据并启动底层的串口发送模块将数据发送出去。除了第一次传输，以后每次传输，都需要等待前一次传输完成。

/* 状态输出（即相应状态需要执行的动作） */ always @(posedge Clock or negedge nRst) begin if (!nRst) begin count <= 'd0; Word <= 'd0; Trans <= 1'b0; PackCplt <= 1'b0; end else begin case (cstate) S_IDLE: begin Trans <= 1'b0; PackCplt <= 1'b0; end S_HEAD: begin Word <= 'hfa; // 帧头 Trans <= 1'b1; // 启动传输 end S_MARK: begin Word <= TransCplt ? 'hfe : Word; Trans <= TransCplt ? 1'b1 : 1'b0; count <= 'd1; // 为扩展信息计数做准备 end S_EXT: begin Word <= TransCplt ? Ext[count*8-1-:8] : Word; // 发送扩展信息，低位先发，谨记，实践中容易搞反 Trans <= TransCplt ? 1'b1 : 1'b0; count <= TransCplt ? count + 'd1 : count; end S_TAG: begin Word <= TransCplt ? Tag : Word; Trans <= TransCplt ? 1'b1 : 1'b0; end S_LEN: begin Word <= TransCplt ? Len : Word; Trans <= TransCplt ? 1'b1 : 1'b0; count <= 'd1; // 为有效载荷计数做准备 end S_VAL: begin Word <= TransCplt ? Val[count*8-1-:8] : Word; // 发送有效载荷，低位先发，谨记，实践中容易搞反 Trans <= TransCplt ? 1'b1 : 1'b0; count <= TransCplt ? count + 'd1 : count; end S_CPLT: begin Trans <= 1'b0; PackCplt <= TransCplt ? 1'b1 : PackCplt; // 等待最后一个字节发送完成 end default: begin Trans <= 1'b0; PackCplt <= 1'b0; end endcase end end