mirror of
https://github.com/pConst/basic_verilog.git
synced 2025-01-28 07:02:55 +08:00
Added UART-like shifters for for simple synchronous messaging inside the FPGA or between FPGAs
This commit is contained in:
parent
68922a34d2
commit
3760990e5a
105
uart_rx_shifter.sv
Normal file
105
uart_rx_shifter.sv
Normal file
@ -0,0 +1,105 @@
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//------------------------------------------------------------------------------
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// uart_rx_shifter.sv
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|
// Konstantin Pavlov, pavlovconst@gmail.com
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//------------------------------------------------------------------------------
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// INFO ------------------------------------------------------------------------
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// UART-like shifter for simple synchronous messaging inside the FPGA or between FPGAs
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// See also `uart_tx_shifter.sv` for TX part
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//
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// TX and RX parts should share one clock source
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// Capable of continious stream transfer when tx_start is held constant 1'b1
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// Any reasonable start bit count,data bit count, stop bit count
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//
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/* --- INSTANTIATION TEMPLATE BEGIN ---
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uart_rx_shifter #(
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.START_BITS( 1 ),
|
||||||
|
.DATA_BITS( 8 ),
|
||||||
|
.STOP_BITS( 2 ),
|
||||||
|
.SYNCHRONIZE_RXD( 0 ) // 0 - disabled; 1 - enabled
|
||||||
|
) rx1 (
|
||||||
|
.clk( clk ),
|
||||||
|
.nrst( 1'b1 ),
|
||||||
|
.rx_data( ),
|
||||||
|
.rx_valid( ),
|
||||||
|
.rxd( )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
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--- INSTANTIATION TEMPLATE END ---*/
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||||||
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module uart_rx_shifter #(
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||||||
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bit [7:0] START_BITS = 1, // must be >=1
|
||||||
|
bit [7:0] DATA_BITS = 4, // must be >=1
|
||||||
|
bit [7:0] STOP_BITS = 2, // must be >=1
|
||||||
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||||||
|
bit SYNCHRONIZE_RXD = 0 // its better to synchronize when rxd input
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||||||
|
// is actually an FPGA pin
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)(
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||||||
|
input clk, // transmitter and receiver should use
|
||||||
|
input nrst, // the same clock
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||||||
|
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||||||
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output logic [DATA_BITS-1:0] rx_data = '0, // output data
|
||||||
|
output logic rx_valid = '0, // read strobe
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||||||
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|
||||||
|
input rxd
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
localparam TOTAL_BITS = START_BITS + DATA_BITS + STOP_BITS;
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||||||
|
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||||||
|
logic [TOTAL_BITS-1:0] rx_data_buf = '1;
|
||||||
|
|
||||||
|
logic rxd_sync;
|
||||||
|
delay #(
|
||||||
|
.LENGTH( 2 ),
|
||||||
|
.WIDTH( 1 )
|
||||||
|
) rxd_SYNC_ATTR (
|
||||||
|
.clk( clk ),
|
||||||
|
.nrst( 1'b1 ),
|
||||||
|
.ena( 1'b1 ),
|
||||||
|
|
||||||
|
.in( rxd ),
|
||||||
|
.out( rxd_sync )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
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||||||
|
logic start_detected;
|
||||||
|
assign start_detected = ~|rx_data_buf[DATA_BITS+STOP_BITS+:START_BITS];
|
||||||
|
logic stop_detected;
|
||||||
|
assign stop_detected = &rx_data_buf[0+:STOP_BITS];
|
||||||
|
logic data_valid;
|
||||||
|
assign data_valid = start_detected && stop_detected;
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||||||
|
|
||||||
|
always_ff @(posedge clk) begin
|
||||||
|
if( ~nrst ) begin
|
||||||
|
rx_data_buf[TOTAL_BITS-1:0] <= '1;
|
||||||
|
|
||||||
|
rx_data[DATA_BITS-1:0] <= '0;
|
||||||
|
rx_valid <= 1'b0;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
if( data_valid ) begin
|
||||||
|
// clear rx_data_buf if valid message is already detected
|
||||||
|
rx_data_buf[TOTAL_BITS-1:0] <= { {(TOTAL_BITS-1){1'b1}},
|
||||||
|
(SYNCHRONIZE_RXD ? rxd_sync : rxd) };
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
// simple shifter, MSB first
|
||||||
|
rx_data_buf[TOTAL_BITS-1:0] <= { rx_data_buf[TOTAL_BITS-2:0],
|
||||||
|
(SYNCHRONIZE_RXD ? rxd_sync : rxd) };
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// buffering valid messages
|
||||||
|
if( data_valid ) begin
|
||||||
|
rx_data[DATA_BITS-1:0] <= rx_data_buf[STOP_BITS+:DATA_BITS];
|
||||||
|
rx_valid <= 1'b1;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
rx_valid <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
BIN
uart_tx_rx_shifter_tb.png
Normal file
BIN
uart_tx_rx_shifter_tb.png
Normal file
Binary file not shown.
After Width: | Height: | Size: 129 KiB |
166
uart_tx_rx_shifter_tb.sv
Normal file
166
uart_tx_rx_shifter_tb.sv
Normal file
@ -0,0 +1,166 @@
|
|||||||
|
//------------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// uart_tx_rx_shifter_tb.sv
|
||||||
|
// Konstantin Pavlov, pavlovconst@gmail.com
|
||||||
|
//------------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
|
||||||
|
// INFO ------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// testbench for uart_tx_rx_shifter_tb.sv module
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|
`timescale 1ns / 1ps
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||||||
|
module uart_tx_rx_shifter_tb();
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||||||
|
|
||||||
|
logic clk200;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 clk200 = 1'b0;
|
||||||
|
forever
|
||||||
|
#2.5 clk200 = ~clk200;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
logic clk400;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 clk400 = 1'b0;
|
||||||
|
forever
|
||||||
|
#1.25 clk400 = ~clk400;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
logic clk33;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 clk33 = 1'b0;
|
||||||
|
forever
|
||||||
|
#15.151 clk33 = ~clk33;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
logic rst;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 rst = 1'b0;
|
||||||
|
#10.2 rst = 1'b1;
|
||||||
|
#5 rst = 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
logic nrst;
|
||||||
|
assign nrst = ~rst;
|
||||||
|
|
||||||
|
logic rst_once;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 rst_once = 1'b0;
|
||||||
|
#10.2 rst_once = 1'b1;
|
||||||
|
#5 rst_once = 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
logic nrst_once;
|
||||||
|
assign nrst_once = ~rst_once;
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [31:0] DerivedClocks;
|
||||||
|
clk_divider #(
|
||||||
|
.WIDTH( 32 )
|
||||||
|
) cd1 (
|
||||||
|
.clk( clk200 ),
|
||||||
|
.nrst( nrst_once ),
|
||||||
|
.ena( 1'b1 ),
|
||||||
|
.out( DerivedClocks[31:0] )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [31:0] E_DerivedClocks;
|
||||||
|
edge_detect ed1[31:0] (
|
||||||
|
.clk( {32{clk200}} ),
|
||||||
|
.nrst( {32{nrst_once}} ),
|
||||||
|
.in( DerivedClocks[31:0] ),
|
||||||
|
.rising( E_DerivedClocks[31:0] ),
|
||||||
|
.falling( ),
|
||||||
|
.both( )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [31:0] RandomNumber1;
|
||||||
|
c_rand rng1 (
|
||||||
|
.clk( clk200 ),
|
||||||
|
.rst( 1'b0 ),
|
||||||
|
.reseed( rst_once ),
|
||||||
|
.seed_val( DerivedClocks[31:0] ^ (DerivedClocks[31:0] << 1) ),
|
||||||
|
.out( RandomNumber1[15:0] )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
c_rand rng2 (
|
||||||
|
.clk( clk200 ),
|
||||||
|
.rst( 1'b0 ),
|
||||||
|
.reseed( rst_once ),
|
||||||
|
.seed_val( DerivedClocks[31:0] ^ (DerivedClocks[31:0] << 2) ),
|
||||||
|
.out( RandomNumber1[31:16] )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
// Module under test ==========================================================
|
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|
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||||||
|
`define STB 1
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||||||
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`define DB 8
|
||||||
|
`define SPB 2
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||||||
|
|
||||||
|
logic tx_busy;
|
||||||
|
logic serial_data;
|
||||||
|
|
||||||
|
logic start;
|
||||||
|
|
||||||
|
// continious transfer (no automatic data check implemented)
|
||||||
|
//assign start = 1'b1;
|
||||||
|
|
||||||
|
// random transfer (features automatic data check)
|
||||||
|
assign start = ~tx_busy && &RandomNumber1[11:8];
|
||||||
|
|
||||||
|
uart_tx_shifter #(
|
||||||
|
.START_BITS( `STB ),
|
||||||
|
.DATA_BITS( `DB ),
|
||||||
|
.STOP_BITS( `SPB )
|
||||||
|
) tx1 (
|
||||||
|
.clk( clk200 ),
|
||||||
|
.nrst( nrst_once ),
|
||||||
|
.tx_data( RandomNumber1[`DB-1:0] ),
|
||||||
|
.tx_start( start ),
|
||||||
|
.tx_busy( tx_busy ),
|
||||||
|
.txd( serial_data )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
logic data_valid;
|
||||||
|
logic [`DB-1:0] data_rcvd;
|
||||||
|
uart_rx_shifter #(
|
||||||
|
.START_BITS( `STB ),
|
||||||
|
.DATA_BITS( `DB ),
|
||||||
|
.STOP_BITS( `SPB ),
|
||||||
|
.SYNCHRONIZE_RXD( 1 ) // 0 - disabled; 1 - enabled
|
||||||
|
) rx1 (
|
||||||
|
.clk( clk200 ),
|
||||||
|
.nrst( nrst_once ),
|
||||||
|
.rx_data( data_rcvd[`DB-1:0] ),
|
||||||
|
.rx_valid( data_valid ),
|
||||||
|
.rxd( serial_data )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [`DB-1:0] data_sent;
|
||||||
|
fifo #(
|
||||||
|
.DEPTH( 8 ),
|
||||||
|
.DATA_W( `DB )
|
||||||
|
) data_check_fifo (
|
||||||
|
.clk( clk200 ),
|
||||||
|
.rst( 1'b0 ),
|
||||||
|
|
||||||
|
.w_req( start ),
|
||||||
|
.w_data( RandomNumber1[`DB-1:0] ),
|
||||||
|
|
||||||
|
.r_req( data_valid ),
|
||||||
|
.r_data( data_sent[`DB-1:0] ),
|
||||||
|
|
||||||
|
.cnt( ),
|
||||||
|
.empty( ),
|
||||||
|
.full( )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
logic success = 1'b1;
|
||||||
|
always_ff @(posedge clk200) begin
|
||||||
|
if( data_valid ) begin
|
||||||
|
if( data_sent[`DB-1:0] != data_rcvd[`DB-1:0] ) begin
|
||||||
|
success <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
endmodule
|
122
uart_tx_shifter.sv
Normal file
122
uart_tx_shifter.sv
Normal file
@ -0,0 +1,122 @@
|
|||||||
|
//------------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// uart_tx_shifter.sv
|
||||||
|
// Konstantin Pavlov, pavlovconst@gmail.com
|
||||||
|
//------------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
|
||||||
|
// INFO ------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// UART-like shifter for simple synchronous messaging inside the FPGA or between FPGAs
|
||||||
|
// See also `uart_rx_shifter.sv` for RX part
|
||||||
|
//
|
||||||
|
// TX and RX parts should share one clock source
|
||||||
|
// Capable of continious stream transfer when tx_start is held constant 1'b1
|
||||||
|
// Any reasonable start bit count,data bit count, stop bit count
|
||||||
|
//
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
/* --- INSTANTIATION TEMPLATE BEGIN ---
|
||||||
|
|
||||||
|
uart_tx_shifter #(
|
||||||
|
.START_BITS( 1 ),
|
||||||
|
.DATA_BITS( 8 ),
|
||||||
|
.STOP_BITS( 2 )
|
||||||
|
) tx1 (
|
||||||
|
.clk( clk ),
|
||||||
|
.nrst( 1'b1 ),
|
||||||
|
.tx_data( ),
|
||||||
|
.tx_start( ),
|
||||||
|
.tx_busy( ),
|
||||||
|
.txd( )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
--- INSTANTIATION TEMPLATE END ---*/
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
module uart_tx_shifter #(
|
||||||
|
|
||||||
|
bit [7:0] START_BITS = 1, // must be >=1
|
||||||
|
bit [7:0] DATA_BITS = 4, // must be >=1
|
||||||
|
bit [7:0] STOP_BITS = 2 // must be >=1
|
||||||
|
)(
|
||||||
|
input clk, // transmitter and receiver should use
|
||||||
|
input nrst, // the same clock
|
||||||
|
|
||||||
|
input [DATA_BITS-1:0] tx_data, // input data get captured on write strobe
|
||||||
|
input tx_start, // write strobe itself
|
||||||
|
output tx_busy, // tx_busy fall on the last stop bit
|
||||||
|
|
||||||
|
output logic txd = 1'b1
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [DATA_BITS-1:0] tx_data_buf = '0;
|
||||||
|
logic [7:0] state_cntr = '0;
|
||||||
|
|
||||||
|
enum int unsigned { STOP, START, DATA } tx_state = STOP;
|
||||||
|
|
||||||
|
always_ff @(posedge clk) begin
|
||||||
|
if( ~nrst ) begin
|
||||||
|
tx_state <= STOP;
|
||||||
|
|
||||||
|
tx_data_buf[DATA_BITS-1:0] <= '0;
|
||||||
|
state_cntr[7:0] <= '0;
|
||||||
|
|
||||||
|
txd <= 1'b1;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
|
||||||
|
case( tx_state )
|
||||||
|
STOP: begin
|
||||||
|
|
||||||
|
txd <= 1'b1;
|
||||||
|
if( state_cntr[7:0] != '0 ) begin
|
||||||
|
// holding stop bits
|
||||||
|
state_cntr[7:0]--;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
// idle state after stop bits
|
||||||
|
|
||||||
|
// no need for edge detector here because tx_state changes instantly
|
||||||
|
// after the first active tx_start cycle
|
||||||
|
if( tx_start ) begin
|
||||||
|
// buffering input data
|
||||||
|
tx_data_buf[DATA_BITS-1:0] <= tx_data[DATA_BITS-1:0];
|
||||||
|
state_cntr[7:0] <= START_BITS-1;
|
||||||
|
tx_state <= tx_state.next();
|
||||||
|
end // tx_start
|
||||||
|
end // state_cntr
|
||||||
|
|
||||||
|
end
|
||||||
|
START: begin
|
||||||
|
|
||||||
|
txd <= 1'b0;
|
||||||
|
if( state_cntr[7:0] != '0 ) begin
|
||||||
|
// holding start bits
|
||||||
|
state_cntr[7:0]--;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
// transition
|
||||||
|
state_cntr[7:0] <= DATA_BITS-1;
|
||||||
|
tx_state <= tx_state.next();
|
||||||
|
end // state_cntr
|
||||||
|
|
||||||
|
end
|
||||||
|
DATA: begin
|
||||||
|
|
||||||
|
// setting data, MSB first
|
||||||
|
txd <= tx_data_buf[state_cntr[7:0]];
|
||||||
|
|
||||||
|
if( state_cntr[7:0] != '0 ) begin
|
||||||
|
state_cntr[7:0]--;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
// transition
|
||||||
|
state_cntr[7:0] <= STOP_BITS-1;
|
||||||
|
tx_state <= tx_state.next();
|
||||||
|
end // state_cntr
|
||||||
|
|
||||||
|
end
|
||||||
|
endcase // tx_state
|
||||||
|
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
assign tx_busy = ~( (tx_state == STOP) && (state_cntr[7:0] == '0) );
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
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