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UART转AHB模块ModelSim仿真

article 2025/3/19 4:12:34

一、简介

UART转AHB模块用于实现一种简单的通过上位机控制FPGA内部寄存器的方式。上位机通过串口助手发送读写寄存器的指令，UART转AHB模块接收指令后解析出地址，命令，数据信息，然后转成AHB总线格式输出。这时UART转AHB模块相当于AHB master主模块，对应的包含寄存器的就是AHB slave从模块。
UART接口是上位机最简单最通用的接口，物理接口就TXD和RXD两根线，通过FPGA的3.3V引脚接可以接入。协议方面按字节传输，网上教程也比较多，这里不做详细介绍。时序图如下，也比较简单，只是每个传输的字节是什么功能需要自己定义。
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一般设置参数都是波特率115200，有效数据位8，停止位1，无奇偶校验位。
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AHB（Advanced High-performance Bus）是一种常用的FPGA内部总线接口。接口保留AHB接口中的主要端口，描述如下。
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AHB总线的一次传输由如下两部分组成。地址段，一个周期；数据段，一个或多个周期，可以由HREADY发出请求延长一个周期。
下图是一次没有等待状态的简单的传输时序图。HCLK上升沿 master 驱动地址和控制信号。HCLK下一周期上升沿 slave 采样地址和控制信息，如果是读操作，slave 发出相应的反馈信息，在第三个时钟上升沿被 master采样，同时 slave 完成数据的读写操作。
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二、模块介绍

仿真工程可以从此地址下载https://download.csdn.net/download/cjie221/90484623
如下图是UART转AHB模块的功能框图。主要分两部分，uart_slv_top模块和uart_ahb_mst模块。
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1. uart_slv_top模块

uart_slv_top模块相当于UART的从设备，接收从上位机发送过来的串行指令数据，转成字节数据和数据使能信号。框图和主要端口如下图。
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其中uart_rxs用2个计数器，一个计每个bit位的时钟数，另一个计bit位数，1个开始位，8个数据位，一个停止位，共10位。然后将串行8个数据位转成并行输出并加上数据有效指示信号。
uart_txs同样也是用2个计数器实现数据转换，一个计每个bit位的时钟数，另一个计bit位数。在tx_rdy信号为高时，等待tx_wrreq请求信号和数据，然后拉低tx_rdy信号，表示发送模块正在忙，待串行数据传输完，再拉高tx_rdy。

2. uart_ahb_mst模块

uart_ahb_mst模块接收uart_slv_top模块发送过来的rx_data数据，解析出读写命令和地址，再转成AHB总线接口输出控制AHB slave从模块。如果是读命令，还要将读回的寄存器值转成tx_wrreq请求信号和数据送给uart_slv_top模块。
采用FIFO实现UART时钟域到AHB时钟域的转换。因为UART传输较慢，而AHB传输较快，FIFO还具有指令和数据缓存的作用。对UART RX的FIFO可以保证UART指令接收完再进行AHB读写。对UART TX的FIFO可以缓存多条AHB的返回数据，从而保证UART能有足够时间完成数据的发送。
框图和主要端口如下图。
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三、实际仿真过程

如下图所示是testbench框图，除uart_ahb_mst_top模式是被测试模块，其他模块是测试激励和相关辅助模块。
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uart_cmd_trans模块主要有两个作用，一是负责将如下字符转成ASCII 码输出。

`define CHAR_SPACE      8'h20
`define CHAR_R_UP       8'h52
`define CHAR_r_LO       8'h72
`define CHAR_W_UP       8'h57
`define CHAR_w_LO       8'h77
`define CHAR_0          8'h30
`define CHAR_1          8'h31
`define CHAR_2          8'h32
`define CHAR_3          8'h33
`define CHAR_4          8'h34
`define CHAR_5          8'h35
`define CHAR_6          8'h36
`define CHAR_7          8'h37
`define CHAR_8          8'h38
`define CHAR_9          8'h39
`define CHAR_A_UP       8'h41
`define CHAR_B_UP       8'h42
`define CHAR_C_UP       8'h43
`define CHAR_D_UP       8'h44
`define CHAR_E_UP       8'h45
`define CHAR_F_UP       8'h46
`define CHAR_a_LO       8'h61
`define CHAR_b_LO       8'h62
`define CHAR_c_LO       8'h63
`define CHAR_d_LO       8'h64
`define CHAR_e_LO       8'h65
`define CHAR_f_LO       8'h66

二是产生寄存器读写测试指令。可根据自己需要，修改指令数量和内容

localparam N  = 3;//instruction number, must match with actual memory depth
assign  memc[0]  = "R 00000004         ";
assign  memc[1]  = "W 0000000a 00001234";
assign  memc[2]  = "R 0000000a         ";

写寄存器命令格式W 地址数据，例如：W 0000000a 00001234
读寄存器命令格式R 地址，例如：R 00000004
命令，地址和数据之间用1个空格隔开，命令w和r，大小写都可以。地址和数据都用32位的十六进制表示，不用加0x前缀。

uart_mst_top模块将ASCII 码转成UART格式串行输出，模拟上位机的UART端口。
仿真波形如下图所示。
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