Uart受信設計2013

UART 受信器 FSM 設計
© 渡部謹二 , 小川清

2013/03/04

(c)watabe kinji, kaizen@wh.commufa.jp

1

演習目的


簡単な実習を通して FSM 設計を体験す
る



2013/03/04

UART 通信を題材とする
自ら設計、検証、実装を行う


2

概要
PC から RS232C シリア
ル通信で
ASCII データ
を送信する

FPGA 内
① シリアル
→ パラレル変換回路
② パラレル ASCII
データ→ LED 点灯パ
ターン変換

今回は固定
した ASCII
コードを入
力して動作
確認する
2013/03/04


3

例題 (sample) 動作確認



例題 (sample) を動作させて確認する
道具 (tool) の使用方法は、操作説明資
料“ Xilinx 設計統合環境操作の覚え ISE 12.4
を題材として ver3.0” を参照してください

2013/03/04


4

配線　例動作確認


配線






2013/03/04

RS232C ストレー
トケーブル（通
信）
パラレルケーブル
（プログラムダウ
ンロード用）
AC アダプタ（電
源）


5

プログラム例題動作確認






2013/03/04

プロジェクト作成
Verilog 記述
コンパイル
ダウンロード
操作説明資料“ Xilinx 設計統合環境操作
の覚え ISE 12.4 を題材として
ver3.0” を参照してください

6

通信ソフトウェアの起動
例題動作確認



スタート -> すべての
プログラム -> アクセ
サリ -> 通信 -> ハイ
パーターミナル　を
起動




2013/03/04

通信設定 38400, 8, な
し ,1, なし（左図）

できれば TeraTerm
Pro （フリー）を利


7

例題動作確認




PC から UART で送る ASCII データ
（ 0~9 ）を取り込み、表示する
次のデータを受け取るまで同じ表示を続
ける
確認できましたか？

2013/03/04


8

例題の全体構成


2013/03/04

プログラムの全体構成を把握する


9

例題の全体構成
パラレル信号
シリアル信号

LED 点灯パターン
reciever

ascii_decoder
x16 clk

クロック


eight_divider

reciever:




DCM

シリアル信号を受信して 8bit パラレル信号に変換する

ascii_decoder:


2013/03/04

受信信号に対応した LED 点灯パターンに変換する

10

ファイル構成例題の全体構成


top_rec.sch








（開発対象）データ受信モ
ジュール







クロック 8 分周モジュール

シミュレーション用
receive.v のテストベンチ
シリアルデータが受信でき
ているか確認する

ascii.mem


DCM の設定ファイル

eight_devider


2013/03/04





ピン割り当てファイル

serial_dataflow.v

dcm_first.xaw






ASCII コードを LED 点灯パ
ターンに変換

receive.v




トップモジュール
回路図表示

top_rec.ucf


ascii_decode.v






メモリモデル、 receive.v
ファイルでリードして使用
する
シリアルデータの管理

eight_devider_tb.tbw


eight_devider.v のテストベ
ンチ
11

8 分周できているか確認す


題材


2013/03/04

題材となる UART 通信について


12

UART(Universal Asynchronous Reciever
and Transmitter) とは？題材 :UART 通信


1

データフォーマット
1








2013/03/04

St D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 S1 1

1

1

経過時間

スタートビット　 0
8 ビットデータ、 LSB ファースト
パリティビット

なし
ストップビット　
 1
x16 クロックでサンプリング、シリアル - パラレル変換

X16 サンプリング：スタートビット検出から 8 クロック
目に位相設定、以降 16 クロックごとにサンプリングす
る

13

通信の詳細　題材： UART 通信


8 ビットデータ、パリティ無
し、 38400bps 、ストップビット 1
余裕のある人はボーレートが変わって
も対応できるようコード記述を工夫す
る
約 16 倍の周波数でデータサンプリングす
る






2013/03/04

16 倍サンプリングを慣習的に行っている

14

ASCII （ American Standard Code for
Information Interchange ）コード題材 :UART
通信　
16 進数

30

0

31

1

32

2

33

3

34

4

35

5

36

6

37

7

38

8

39
2013/03/04

文字

9

15

データフロー設計　題材 :UART
通信

UART データ受信
モジュール
recieve

7 セグメント
LED へ
データデコーダ
ascii_decode

8 ビット ASCII
8 ビット ASCII デー
データが 1 ビット
タをパラレルに渡す
幅でシリアルに伝
データ受信中は出力
送
データを保つ
•ascii_decode は内部に記憶を持たない

2013/03/04


16

receive の内部データフロー　
題材 :UART 通信
clk
rst
クロックはボー
レートの 16 倍速
度を入力するもの
とする
recieve

D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
S1

a0
a1
a2
a3
a4
a5
a6
a7

•処理に必要なデータの流れを設計す
る
2013/03/04

レジスタ
ascii[7:0]

レジスタ　
receive_data


17

receive のコントロールフローの
概要
初期化

データ取り込み

スタートビット待ち
出力データ更新
データ取り込み
位相あわせ

2013/03/04


18

実習１：デコーダの完成


問題









2013/03/04

acsii_decode.v を記述して数値 0~9 が表示される
ようにせよ
上記以外の ASCII コードが入力されたら
E （ Error の E ）が表示されるようにせよ
実際に７セグ LED を点灯させて確認せよ
確認したら報告せよ

「入力： 8 ビット ASCII コード」の表を完成
させてからコーディングに移る

19

Function 文 (1) 　実習１
module selector(din,sel,dout)
input [3:0] din;
input [1:0] sel;
out dout;



Function 文






function select ;
input[3:0] data_sel;
input[1:0] data_sig;
end function
endmodule
2013/03/04

入力に対し値を返す
（値を保持しない）
モジュール内に記述


モジュールのすべての
信号が使用出来る
宣言したモジュール内
からのみ、その
Function を使用する事
ができる

Always 文でも組み合
わせ論理回路を実装
することができるが
、 Function を推奨20


Function 文（ 2 ）定義　実習１
input [3:0] din;
input [1:0] sel;
out dout;
function select ;
endfunction
endmodule

2013/03/04

function < ビット幅 > 　＜名前＞ ;
endfunction で終了

入力の宣言
続いて、 wire の宣言も
可
各種ステートメントを
記述する（実習）
今回は if 文で記述する

21

Function 文（ 3 ）呼び出し　
実習１

input [3:0] din;
input [1:0] sel;
out dout;

継続的代入で用いる
宣言（入力はどう
か？出力はどう
か？）と比較

assign dout = select(din,sel);
function select ;
( 省略 )
endfunction
endmodule
2013/03/04


22

Case 文の記述　実習１
module dec_inst(din, dout);
input [2:0] din;
output [6:0] dout;
assign dout = decoder(din);
function [6:0] decoder;
input [2:0] data_in;
case(data_in)



function 文のステー
トメントに if
文、 case 文を記述
することができる

( 省略 )
endcase
endfunction
endmodule
2013/03/04


23

always 文と function 文　実習１


組み合わせ回路を記述する場合は
function 文を用いる




2013/03/04

always 文で組み合わせ回路が記述できる。
しかし記憶素子を用いないにもかかわらず
reg 宣言をしなければならないので避ける
べき
記述する回路規模が大きくなり、設計を再
利用することが多くなる

24

回路図の読解　実習１





2013/03/04

ボード付属 DVDROM 　
FPGASCH_EVSP
3E100_rev1p03.pdf
　が回路図
V3P3 は +3.3V
集合抵抗


25

回路図の読解　実習１
この間に電位
差が 0.7V ある
と



バイポーラトラン
ジスタの挙動




ここに電流
が流れる

2013/03/04

デジタル回路での基
本的な使い方
/DP1_OEN が　 L
　のとき LED に通
電する


26

回路図の読解（ 1 ）　実習１


出力を多重化してい
る




2013/03/04

複数の桁数を表示す
るには時間的
に /DP1_OEN ~ /
DP4_OEN をずらさ
なければならない
7 セグ回路では一般
的


27

回路図の読解（２）　実習１





DP_D1~DP_D8 　と　 LED セグメントとの
対応
正論理か負論理か？


2013/03/04

この場合は負論理


28

ASCII コード⇒ LED 点灯パターン変
換表
実習１
ASCII コード

文字

7 セグメント点灯パターン

｛ g,f,e,d,c,b,a}

(8 ビット、 16
進）
30

0

31

1

32

2

33

3

34

4

35

5

36

6

37

7

38

8

39
その他
2013/03/04

9
E

0100100


29

実習２：
UART 受信モジュールの設計


receive.v を設計してみよう



データフロー設計
コントロールフロー設計





2013/03/04

ASM チャートか状態遷移図・表を記述する
レビュー＆検証を行う

実装、動作確認


30

報告：実習２



実習終了後、報告を提出
書式は問わないが以下の項目を含むこ
と





2013/03/04

データフロー、コントロールフロー、検証
項目
実機動作確認
発生した問題点、反省点、改善点

31

追加実習


今回の回路に機能を追加





2013/03/04

7 セグ LED のダイナミック点灯（複数桁表
示）
送信機能
電卓の作成


32

参考資料


DLL について






XAPP462 Spartan-3 FPGA におけるデジタルク
ロックマネージャ (DCM) の使用
Spartan3E データシート

FSM のコーディングについて
「合成 / 検証デザインガイド」
 Spartan3E データシート
等をお読みください




参考


2013/03/04

「 FPGA によるシリアル・コントローラの設計事
例」　インターフェース 2005.6

33

付録：周辺回路


2013/03/04

周辺回路について解説する


34

クロック設計


サンプリング周波数



38400bps の 16 倍であるので 614400Hz
100/3MH ｚ X’tal （基盤に実装されている発信
素子）の約 56 分の 1



0.595MH ｚ（ 0.614MHz の誤差約 3 ％）
内部の DLL を使う


クロックの分周に LBS を使うにはロジックリソースの
消費

1/7 （ DLL)
2013/03/04

1/8(Logic ）


本当は使っ
ちゃダメ

35

注意！！
ゲーティッドクロックは避ける


クロック信号はクロックラインを用い
る






2013/03/04

データ遅延などを考慮してクロック、レジ
スタの分配を配置・配線ツールが行う
ゲートを使ってクロックの調整を行うと
ツールは適正に分配できない
今回の実習例ではゲーティッドクロックを
用いています。実際の業務ではそのまま使
わないでください。変更してください。


通信用の発振器を外付けするなどで対応

36

DLL （ Delay Lock Loop: 遅延ロック
ループ）とは？


クロック信号を一周期（ぐらい）遅らせて位相ロックす
る





分配したクロックの遅延を補償
位相遅れを加えることも出来、また周波数を逓倍することもでき
る

注意！！ DLL はクロック信号を遅らせて使っているので
入力クロックに乱れが入っていると、乱れを伝播する
PLL(Phase Locked Loop) との比較
 クロックのジッタなどで
ロックが外れる


2013/03/04


37

内部非論理機能　 DLL を使う


よく使う機能の専用ハードウェアを備えてい
る







内部非論理機能を HDL コード中に記述



2013/03/04

論理リソースの節約、消費電力の低減にも繋がる
DSP 、乗算器、イーサネット MAC 、ブロックメ
モリ、メモリコントローラ、 CPU コア ,etc
DLL もそのうちのひとつ
CORE Generator によるインスタンシエーション
内部機能のいくつかはツールの自動推論により用
いることができ、インスタンシエーションの必要
38
なし

DLL をつかう



新しいプロジェクト　 clock_design
Create New Source ->IP (COREGen &
Architecture Wizard)-> ファイル名を入力し、
Next ボタンを押下






2013/03/04

ファイル名　 dcm_test とした

ダイアログボックスで FPGA Features and
Design ->Clocking ->Spartan-3E,Spartan-3A>Single DCM SP v9.1i を選択
General Setup for INST1

39

CLKDV に
チェック

入力周波数
33.3MH ｚ
入出力の周波数
をチェックして
くれる

7
分周

2013/03/04


40






2013/03/04

“Use Global Buffers
for all selected clock
outputs” を選択
Next ボタンを押下
次のダイアログボッ
クスで Finish を押下


41

クロック設計（ゲーティッドク
ロック）




eight_divider.v の作
成
クロックを８分周す
る Verilog モジュー
ル


2013/03/04

４カウントごとに出
力を反転させる回路
を作ればよい


42

トップモジュール構成


作成してきたサ
ブモジュールを
接続してトップ
モジュールを作
成する

Verilog-HDL でサ
ブモジュールを
呼び出すことも
可
 ECS 回路図入力
ツールを用いる
43


2013/03/04

シリアル信号

パラレル信号

LED 点灯パターン

reciever

ascii_decoder

DCM

eight_divider

クロック
分周クロック

分周クロック

リセット信号はこの図で
は省略してある

2013/03/04

44



作成したモジュールの回
路シンボルの作成




2013/03/04

Sources ウインドウのモ
ジュールファイルをク
リックして選択する
その状態を維持したまま
、 Process ウインドウの
Design Entry Utilities セク
ションから Create
Schematic Symbol をダブ
ルクリックする


45

自作の回路をライブラリに登録
　　　　　　　　

② 作業フォルダのパスを追
加しているので選択
③ 設計したモジュールを追
加している（はず）

①Source ウイン
ドウの Symbol タ
ブをクリック
2013/03/04


46

回路図エディタで部品を配置する

部品を配置
する

Symbol タ
ブを選択

ウインドウから
現在の作業パス
を選択する
2013/03/04


47

回路図を作成する
部品の配置を
変更する

Add Net Name:
配線に名前を付
ける

Add Wire : 配線ツール

Add IO Marker : 配
線を入出力とする

以上のようなツールを使って、回路図を作成
したら、ファイルを保存しエディタを終了
2013/03/04


48


2013/03/04


49

ボード構成の確認


FPGA チップと外界の接続を確認






2013/03/04

LED への接続に関しては組み合わせ論理回
路の資料を参照
リセット回路
UART
クロック回路


50

リセット回路ボード構成の確認
シュミットイン
バータ



SW １をリ
セットとして
使用




2013/03/04


ボタン押した
ときに SWIN1
は H になる
SWIN1 は
FPGA の３０
ピン
51

シリアルインターフェースボード構
成の確認




2013/03/04

Host TxD ( 送信ポート ) 　⇒　
DB9 3 ピン ⇒ RxD （受信ポー
ト）
FPGA の 79 ピンに接続

52

クロックソースボード構成の確認


2013/03/04

FPGA の 63 ピ
ンに接続


53

７セグメントＬＥＤボード構成の確
認














2013/03/04


/DP1_OEN 86 ピン
/DP2_OEN 85 ピン
/DP3_OEN 3 ピン
/DP4_OEN 2 ピン
DP_D1 94 ピン
DP_D2 92 ピン
DP_D3 98 ピン
DP_D4 71 ピン
DP_D5 70 ピン
DP_D6 90 ピン
DP_D7 91 ピン
DP_D8 95 ピン

54

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