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「Tang NanoでuartのIPコアを動かした件」を読み解く

uchan 2021年08月17日に作成  (2021年08月18日に更新)

「Tang NanoでuartのIPコアを動かした件」を読み解く

本記事では Tang NanoでuartのIPコアを動かした件 という記事に登場する Verilog コードの理解を目指します。

概要

理解対象の記事は、Tang Nano という FPGA デバイスに UART 通信を行うための IP コアを組み込み、エコーバック処理を実現しています。記事に登場する Verilog コードが全然分からなかったので、タイミングチャートを用いて理解をしようというのが、本記事のゴールです。

理解が難しい原因は、Gowin の UART IP コアのリファレンス文書の記述が不十分なことと、Verilog コードに登場する各種信号線が相互に依存しあっていることでした。UART IP コアの動作がばっちり分かっている前提で Verilog コードを読めば理解できたのかもしれませんが、どちらも分からない状態で読解しようとして苦労しました。最終的には理解できた(気がする)ので、解説を試みます。

1 バイト受信時

まずは 1 バイトだけ受信した際のタイミングチャートを示します。黄色で示したタイミングで 1 バイトを読み出しています。

radr は UART IP コアのレジスタアドレスを示しており、0 なら RBR、5 なら LSR を読み取ります。RBR は受信バッファレジスタで、受信した 1 バイトを読み出せます。LSR はラインステータスレジスタで、各種のステータスフラグを集めたレジスタです。ビット 0 は RxRDY という名前で、1 なら RBR に受信データが格納されていることを示します。

上記のタイミングチャートは、3 クロック目の後付近(rdata[0] が 1 になる少し前)に 1 バイトの受信が行われたという想定で描いています。1 バイト受信されると LSR.RxRDY が 1 になるため、rdata[0] が 0→1 に変化します。すると、その後 rdd が 1 になり、その影響で radr が 0 になるため、RBR からデータが読み出される、という仕組みです。RBR からデータが読み出されると LSR.RxRDY は 0 に戻ります(と理解しているのですが、間違っていたらご指摘ください)。

このタイミングチャートには載せていませんが、読み出されたデータは直後に THR(送信保持レジスタ)に書かれ、UART から送信されます。つまり、エコーバックですね。

2 バイト受信時

次に連続で 2 バイトを受信した際のタイミングチャートを示します。

現実に連続して 2 バイトを受信することはあり得るでしょうか?UART IP コアは 50MHz で動作する一方、UART の通信速度はそこまで速くありません。せいぜい 115.2kbps 程度ですから、バイトとバイトの間隔は 4340 クロックほど空くことになります。ですので、このタイミングチャートは単なる思考実験のように見えるかもしれませんね。

しかし、複数のバイトが UART IP コア内の FIFO に貯まっているケースはあり得ます。受信データの有無をポーリングにより調べる設計では、ポーリング間隔が長ければ、RBR を読み出してもまだ LSR.RxRDY が 1 のまま、というケースはあるでしょう。

上記のタイミングチャートで考える限り、このように連続して受信するケースも上手く動きそうです。

エコーバックが遅れる理由

理解対象の記事に書かれていますが「適当にキーボードを打つと一つ遅れてエコーバックしてくる」のです。手元で検証し、記事の著者と議論の結果、原因が推測できましたのでここに記します。

端的に言えば Gowin の UART IP コアの仕様(あるいはバグ)によって、LSR.RxRDY が 1 になった後に RBR を読み出すと、1 回目は必ず前回受信したデータが読み出される、ということです。RBR をもう一度読むと、今受信したデータ(LSR.RxRDY を 1 にした要因となった受信データ)が読めます。

ということで、LSR.RxRDY が 1 になった後に 1 バイトを空読みすることで、受信データを正しく読めます。

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本業はプログラマですが、昔から電子工作は趣味でやってます。初めてのプログラミング言語はPICアセンブラです。 モジュールを買ってきて組み合わせるだけでなく、部品の動作原理をきちんと理解して回路を設計することに楽しさを感じます。 2021年より「uchanの電子工作ラボ」という施設を運営しています。はんだごてや測定器が使えます。 https://uchan.net/lab/ 2021年3月22日に「ゼロからのOS自作入門」を出版しました。Amazon→ https://amzn.to/2NP3FUj
  • uchan さんが 2021/08/17 に 編集 をしました。 (メッセージ: 初版)
  • uchan さんが 2021/08/18 に 編集 をしました。 (メッセージ: タイミングチャートの微修正)
  • uchan さんが 2021/08/18 に 編集 をしました。 (メッセージ: エコーバックが遅れる理由と対策を追記)
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