小梅哥和你一起深入學(xué)習(xí)FPGA之串口調(diào)試（一）(上)

　　大家好，這幾天在各個論壇上，經(jīng)常就有人在向我咨詢基于FPGA的串口通信代碼，大部分都是在網(wǎng)上下載一個現(xiàn)成的代碼，但是在使用中就遇到了各種問題，于是就發(fā)到了論壇上來求助。在閱讀了他們的代碼之后，我發(fā)現(xiàn)幾乎出自同一個版本(目前確定為特權(quán)同學(xué)的基于EPM240入門實驗的代碼)。他們在調(diào)試這個代碼的時候，經(jīng)常存在這樣幾個問題：1、部分人對該串口通訊模塊完全不理解，對每句話，甚至每個模塊的功能都不理解;2、部分人采用最原始的畫波形的方式來對該模塊進(jìn)行仿真，結(jié)果無法得到仿真結(jié)果;3、部分人不會使用modelsim對該設(shè)計進(jìn)行仿真;4、絕大部分人不會編寫testbench;5、下板測試無法進(jìn)行正確的字符串收發(fā)。在公司內(nèi)部，我將這種現(xiàn)象和幾位老師交流之后，夏宇聞老師建議我專門針對該代碼寫一個由原理到代碼，由仿真到板級的調(diào)試筆記。爭取用最通俗，也是最笨的辦法，手把手的教會大家來調(diào)試這個代碼。

　　本調(diào)試筆記主要由五個部分組成：原始代碼分析;原始代碼驗證;對原始代碼進(jìn)行修改;對修改后的代碼進(jìn)行驗證;對修改后的設(shè)計進(jìn)行板級驗證。每個部分，小梅哥都會用圖文結(jié)合的方式，教大家一步一步的來進(jìn)行。

　　原始代碼分析

　　該代碼來自小梅哥最崇拜的大神，特權(quán)同學(xué)。當(dāng)時小梅哥也是看著特權(quán)同學(xué)的書和視頻教程一步一步走過來的。特權(quán)同學(xué)的代碼實現(xiàn)了單字節(jié)的收發(fā)測試，沒有對連續(xù)字節(jié)的收發(fā)進(jìn)行測試。特權(quán)同學(xué)當(dāng)時也說過，這個只是一個簡單的實驗，離實際工業(yè)應(yīng)用還有一定的距離。考慮到論壇上很多小伙伴都希望能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)字節(jié)的收發(fā)功能，因此小梅哥就在特權(quán)同學(xué)的代碼上進(jìn)行了修改。修改后的代碼，輸入時鐘可以在一定范圍內(nèi)選擇任意頻率，目前已經(jīng)支持5種波特率選擇(9600、19200、38400、57600、115200)，實際小梅哥還做過更高波特率的測試，目前實測在115200波特率的速率下可以實現(xiàn)超過9999999次連續(xù)無間斷的收發(fā)。這里，小梅哥首先將特權(quán)同學(xué)設(shè)計架構(gòu)在這里列出來，以給讀者一個直觀的印象。

　　由上圖可知，特權(quán)同學(xué)的UART串口設(shè)計主要包含了四個模塊：串口發(fā)送模塊(my_uart_tx)、串口接收模塊(my_uart_rx)、串口接收波特率發(fā)生器(speed_rx)和串口發(fā)送波特率發(fā)生器(speed_tx)，其中，串口發(fā)送波特率發(fā)生器主要用來產(chǎn)生串口發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時所需的波特率時鐘，串口接收波特率發(fā)生器主要用來產(chǎn)生串口接收模塊接收數(shù)據(jù)時的波特率時鐘，串口發(fā)送模塊主要負(fù)責(zé)在指定波特率的速率下將待發(fā)送字節(jié)發(fā)送出去，串口接收模塊則主要負(fù)責(zé)接收來自其他設(shè)備發(fā)送過來的串口數(shù)據(jù)。my_uart_top模塊即串口收發(fā)頂層模塊實現(xiàn)了各個模塊間的信號連接功能，通過該頂層模塊的連接，實現(xiàn)了將串口接收到的數(shù)據(jù)再發(fā)送出去的功能，即我們測試串口通信最常用的一種方式——回環(huán)測試。特權(quán)同學(xué)該實驗的各個端口和內(nèi)部信號的意義如表1所示：

　　該實驗的內(nèi)容為，串口接收模塊在檢測到發(fā)送設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)起始位時，接收中斷信號置1，該信號則作為啟動串口接收波特率發(fā)送器的控制信號，然后在每個波特率時鐘上升沿到來時讀取串口接收端口(rs232_rx)上的數(shù)據(jù)。一幀(字節(jié))數(shù)據(jù)接收完成后，接收中斷信號拉低，停止波特率發(fā)生器工作，接收完成，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一次的數(shù)據(jù)到來。

　　同時，接收中斷信號的下降沿也作為串口發(fā)送模塊的發(fā)送使能信號，因為一旦接收中斷信號的下降沿出現(xiàn)，就表明接收模塊完成了一次數(shù)據(jù)的接收，此時，就開始使能串口發(fā)送波特率發(fā)生器，串口發(fā)送模塊則在波特率時鐘的上升沿到來時依次將接收模塊接收到的數(shù)據(jù)的每一位(發(fā)送模塊自動添加起始位和停止位)依次發(fā)送出去，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后，停止串口發(fā)送波特率發(fā)生器的使能，模塊進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一次接收中斷信號下降沿的到來。

　　這里，我們首先對該設(shè)計的波特率發(fā)生器模塊進(jìn)行分析。該模塊相對簡單，代碼如下所示：

　　以下是代碼片段：

　　1 module speed_select (

　　2 clk, rst_n ,

　　3 bps_start , clk_bps

　　4 );

　　5

　　6 input clk; // 50MHz

　　7 input rst_n ; //

　　8 input bps_start ; //

　　9 output clk_bps ; // clk_bps

　　10

　　11 /*

　　12 parameter bps9600 = 5207, // 9600bps

　　13 bps19200 = 2603, // 19200bps

　　14 bps38400 = 1301, // 38400bps

　　15 bps57600 = 867, // 57600bps

　　16 bps115200 = 433; // 115200bps

　　17

　　18 parameter bps9600_2 = 2603,

　　19 bps19200_2 = 1301,

　　20 bps38400_2 = 650,

　　21 bps57600_2 = 433,

　　22 bps115200_2 = 216;

　　23 */

　　24

　　25 //

　　26 `define BPS_PARA 5207 // 9600

　　27 `define BPS_PARA_2 2603 // 9600

　　28

　　29 reg[ 12 : 0] cnt ; //

　　30 reg clk_bps_r ; //

　　31

　　32 //---------------------------------------------------------

　　33 reg[ 2 : 0] uart_ctrl ; // uart

　　34 //---------------------------------------------------------

　　35

　　36 always @ ( posedge clk or negedge rst_n )

　　37 if(! rst_n ) cnt <= 13'd0 ;

　　38 else if(( cnt == `BPS_PARA ) || ! bps_start ) cnt <= 13'd0 ;

　　39 else cnt <= cnt+1'b1 ; //

　　40

　　41 always @ ( posedge clk or negedge rst_n )

　　42 if(! rst_n ) clk_bps_r <= 1'b0 ;

　　43 else if( cnt == `BPS_PARA_2 ) clk_bps_r <= 1'b1 ;

　　//clk_bps_r ,

　　44 else clk_bps_r <= 1'b0 ;

　　45

　　46 assign clk_bps = clk_bps_r ;

　　47

　　48 endmodule

　　該代碼的12-22行用注釋的方式告訴了我們，獲得不同波特率時波特率分頻計數(shù)器的值應(yīng)該為多少，以及波特率計數(shù)器計數(shù)到一半時的值為多少(該值作為對信號的采樣點，因為一般情況下，一位數(shù)據(jù)，在該位數(shù)據(jù)保持時間的中間時刻是最穩(wěn)定的)。26行和27行定義的兩個參數(shù)BPS_PARA和BPS_PARA_2分別就是波特率分頻計數(shù)器的最大值和中間值。實際使用時，只需要根據(jù)你所需要的波特率，更改這兩個參數(shù)的值即可 。例如，選擇波特率為9600bps時，設(shè)定BPS_PARA=5207，BPS_PARA_2=2603。關(guān)于這個值的計算，這里暫時不提，后文會有交代。

　　36行至39行為波特率分頻計數(shù)器的計數(shù)進(jìn)程，即波特率發(fā)生模塊沒有被使能(! bps_start)或者計數(shù)器計數(shù)到BPS_PARA后則將計數(shù)器清零，其它情況下則每來一個時鐘上升沿計數(shù)器自加1。通過此進(jìn)程，則可得到相對精準(zhǔn)的波特率定時。

　　41行至44行為數(shù)據(jù)采樣時刻的生成，上面提到過“一般情況下，一位數(shù)據(jù)，在該位數(shù)據(jù)保持時間的中間時刻是最穩(wěn)定的”，因此這里我們在計數(shù)器計數(shù)到一半時，產(chǎn)生一個時鐘周期的高脈沖，此脈沖作為采樣數(shù)據(jù)的使能信號。