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

　　原始代碼驗(yàn)證

　　前面，通對(duì)設(shè)計(jì)代碼的一個(gè)簡(jiǎn)單分析，弄清楚了特權(quán)同學(xué)設(shè)計(jì)代碼的基本架構(gòu)和思路。那么看過(guò)特權(quán)同學(xué)教學(xué)視頻的都知道，該代碼能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)收發(fā)測(cè)試。那么這里，小梅哥就先對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)仿真，通過(guò)仿真來(lái)分析此設(shè)計(jì)的性能。

　　仿真的思路很簡(jiǎn)單，就是通過(guò)模擬串口發(fā)送過(guò)程，給該設(shè)計(jì)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，由前面分析可知，該設(shè)計(jì)模塊接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)立即將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，因此我們還需要對(duì)串口發(fā)送出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這里，熟悉Uart協(xié)議的，我們可以直接觀察發(fā)送波形。當(dāng)然，為了更加直觀，我們也可以設(shè)計(jì)一個(gè)模擬串口接收數(shù)據(jù)的仿真模型，通過(guò)該模塊來(lái)讀取串口發(fā)送出來(lái)的數(shù)據(jù)?？紤]到看這篇文章的大多是初學(xué)者，為了讓大家能夠更好的查看我們的仿真結(jié)果，同時(shí)教大家進(jìn)行仿真模型的設(shè)計(jì)，小梅哥還是自己編寫了一個(gè)虛擬的串口仿真模型。驗(yàn)證時(shí)，只需要將該仿真模型掛接到串口模塊上，則該模型便能夠自動(dòng)的給串口模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)接收串口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。并會(huì)實(shí)時(shí)的將發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)打印出來(lái)，實(shí)際在觀察仿真結(jié)果時(shí)，我們便只需要觀看打印的結(jié)果就可以了。該串口仿真模型的代碼如下所示：

　　以下是代碼片段：

　　1 `timescale 1ns/1ps

　　2

　　3 module Uart_module ( uart_rx , uart_tx , send_state );

　　4

　　5 input uart_rx ;

　　6 output reg uart_tx ;

　　7 output reg send_state ;

　　8

　　9 reg Clk;

　　10 reg Rst_n ;

　　11

　　12 wire Mid_Flag_send ;

　　13 wire Mid_Flag_Receive ;

　　14

　　15 reg Receive_Baud_Start ;

　　16 reg [ 7 : 0] rx_data ;

　　17

　　18 initial Clk = 1;

　　19 always #10 Clk = ~Clk;

　　20

　　21 speed_select speed_select_Send (

　　22 . clk( Clk),

　　23 . rst_n ( Rst_n ),

　　24 . bps_start ( 1'b1 ),

　　25 . clk_bps ( Mid_Flag_send )

　　26 );

　　27

　　28 speed_select speed_select_receive (

　　29 . clk( Clk),

　　30 . rst_n ( Rst_n ),

　　31 . bps_start ( Receive_Baud_Start ),

　　32 . clk_bps ( Mid_Flag_Receive )

　　33 );

　　34

　　35 initial begin

　　36 Rst_n = 0;

　　37 uart_tx = 1;

　　38 send_state = 0;

　　39 #300 Rst_n = 1;

　　40

　　41 $display ( "Set Baud As 9600bps" );

　　42 #200 ; Uart_Send ( 8'hb6 );

　　43 #20 ; Uart_Send ( 8'he7 );

　　44 #80 ; Uart_Send ( 8'hf0 );

　　45 #500 ; Uart_Send ( 8'h02 );

　　46 #300 ; Uart_Send ( 8'hb4 );

　　47 #40 ; Uart_Send ( 8'he5 );

　　48 #90 ; Uart_Send ( 8'hb0 );

　　49 #1000 ; Uart_Send ( 8'h32 );

　　50 #2000000 ;

　　51 $stop ;

　　52 end

　　53

　　54 task Uart_Send ;

　　55 input [ 7: 0] Data ;

　　56 begin

　　57 send_state = 1;

　　58 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = 0;

　　59 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = Data [0];

　　60 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = Data [1];

　　61 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = Data [2];

　　62 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = Data [3];

　　63 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = Data [4];

　　64 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = Data [5];

　　65 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = Data [6];

　　66 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = Data [7];

　　67 @( posedge Mid_Flag_send) #0.1 uart_tx = 1;

　　68 $display ( "Uart_Send Data = %0h" , Data );

　　69 send_state = 0;

　　70 end

　　71 endtask

　　72

　　73 initial begin

　　74 forever begin

　　75 @( negedge uart_rx )

　　76 begin

　　77 Receive_Baud_Start = 1;

　　78 @( posedge Mid_Flag_Receive);

　　79 @( posedge Mid_Flag_Receive) rx_data [0] = uart_rx ;

　　80 @( posedge Mid_Flag_Receive) rx_data [1] = uart_rx ;

　　81 @( posedge Mid_Flag_Receive) rx_data [2] = uart_rx ;

　　82 @( posedge Mid_Flag_Receive) rx_data [3] = uart_rx ;

　　83 @( posedge Mid_Flag_Receive) rx_data [4] = uart_rx ;

　　84 @( posedge Mid_Flag_Receive) rx_data [5] = uart_rx ;

　　85 @( posedge Mid_Flag_Receive) rx_data [6] = uart_rx ;

　　86 @( posedge Mid_Flag_Receive) rx_data [7] = uart_rx ;

　　87 @( posedge Mid_Flag_Receive) Receive_Baud_Start = 0;

　　88 $display ( "Uart_receive Data = %0h" , rx_data );

　　89 end

　　90 end

　　91 end

　　92

　　93 endmodule

　　94

　　因?yàn)樵趯⒋a復(fù)制到word的過(guò)程中，會(huì)有一定的格式兼容問(wèn)題，所以文中部分格式不是太規(guī)范，望各位理解，另外，完整的代碼，小梅哥也以pdf的形式提供了，感興趣的朋友可以下載學(xué)習(xí)。

　　本仿真模型的第一句話“`timescale 1ns/1ps”為仿真精度及時(shí)間的說(shuō)明，定義時(shí)間精度為1ps，時(shí)間單位為1ns，那么我們?cè)诖a編寫的過(guò)程中，如果寫成“#200”則表示延時(shí)200ns，因?yàn)闀r(shí)間精度為1ps，因此我們還可以進(jìn)一步提高延時(shí)精度，如“#200.1”表示延時(shí)200.1ns。一般的測(cè)試文件(testbench)中，這句話作為第一句話，必寫，當(dāng)然，時(shí)間精度和單位我們可以根據(jù)自己的需求更改，如寫成“`timescale 1us/1ns”或者“`timescale 1ns/1ns”等都是可以的。

　　該模塊作為一個(gè)仿真模型，就是虛擬了一個(gè)串口收發(fā)儀器，既然是一個(gè)串口收發(fā)儀器，則必然有串口發(fā)送端口和串口接收端口，因此在模塊名后面定義了三個(gè)端口。這與一般的testbench不同，一般的testbench作為仿真時(shí)的頂層，不需要端口，因此模塊名后就直接以“;”結(jié)束。該模塊的三個(gè)端口“uart_rx , uart_tx , send_state”分別為串口接收端口、串口發(fā)送端口、串口發(fā)送狀態(tài)信號(hào)。串口收發(fā)端口不用說(shuō)，大家也已經(jīng)知道了，串口發(fā)送狀態(tài)信號(hào)主要作為指示信號(hào)，指示當(dāng)前仿真模型正在進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送過(guò)程。

　　第9行至第16行為測(cè)試文件中信號(hào)的定義，以前我們總是理解說(shuō)這些信號(hào)就是待測(cè)試模塊的端口，需要在測(cè)試文件中定義。那么這里小梅哥更喜歡換一種方式來(lái)理解：我們自己的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)中即特權(quán)的串口模塊，是一個(gè)功能未知的黑盒子，這個(gè)黑盒子有一些信號(hào)線引出，有的信號(hào)線是作為輸入的，即需要外部輸入一定的信號(hào)作為激勵(lì)，而有的信號(hào)線是作為輸出的，能夠輸出一些數(shù)據(jù)，當(dāng)然還有一些信號(hào)線是既能夠作為輸入，又能夠作為輸出的，即三態(tài)。我們要想知道這個(gè)黑盒子的功能，就需要給這個(gè)黑盒子的輸入信號(hào)線接上信號(hào)源，通過(guò)給這些輸入信號(hào)線一定的激勵(lì)，觀察其輸出端口上的響應(yīng)，從而獲知該黑盒子的功能。那么在這里，對(duì)于待測(cè)試模塊的輸入端口，我們就接上信號(hào)發(fā)生器，對(duì)于輸出端口，我們就接上示波器或者邏輯分析儀，這樣，我們就能夠通過(guò)信號(hào)發(fā)生器給輸入端口產(chǎn)生一定的激勵(lì)，然后通過(guò)示波器觀察輸出端口的輸出了。即如下圖所示：

　　那么，我們的testbench主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的功能，既然是信號(hào)發(fā)生器那么就一定有數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，這個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)輸出就可以連接到我們的待測(cè)模塊上。待測(cè)試模塊的輸出端口，連接到我們的示波器或者邏輯分析儀的探頭上，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)，那么我們信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)源，可能命名叫做，a，b,c,d,e……. 而我們示波器的探頭則命名為探頭1，探頭2……接下來(lái)就好理解了，在testbench，我們將信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)定義為reg型，而示波器的探頭定義為wire型。我們信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)線和示波器的探頭線都可以任意命名，實(shí)際使用時(shí)一一對(duì)應(yīng)連接到待測(cè)試模塊的端口上，也可以就直接與待測(cè)模塊的各個(gè)端口名保持一致。本設(shè)計(jì)中，小梅哥讓testbench中的信號(hào)與待測(cè)模塊的端口保持一致。

　　第18行和19行為產(chǎn)生50MHz時(shí)鐘的語(yǔ)句。

　　因?yàn)楸痉抡婺Ｐ蛯?shí)質(zhì)上就是一個(gè)串口收發(fā)模塊，因此也需要有收發(fā)波特率發(fā)生器，這里小梅哥為了省事，直接調(diào)用了特權(quán)同學(xué)的波特率發(fā)生器模塊，來(lái)作為我仿真模型的波特率發(fā)生器。因?yàn)樵摬ㄌ芈拾l(fā)生器本身也屬于待測(cè)試部分，小梅哥之所以敢放心的調(diào)用，是因?yàn)槭孪任乙呀?jīng)通過(guò)仿真，確定了該波特率發(fā)生器功能的正確性。第21行至33行為分別例化得到發(fā)送波特率發(fā)生器和接收波特率發(fā)生器的代碼。

　　第54行至71行為發(fā)送一個(gè)完整字節(jié)的數(shù)據(jù)(自動(dòng)添加起始位和停止位)的代碼，該部分寫成任務(wù)的形式，方便調(diào)用。當(dāng)我們需要發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，例如，發(fā)送8'hb6，只需要寫“Uart_Send ( 8'hb6 )”即可，該任務(wù)便將自動(dòng)執(zhí)行，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，同時(shí)使用系統(tǒng)任務(wù)$display來(lái)打印當(dāng)前發(fā)送的數(shù)據(jù)是多少，以方便我們直觀的觀察仿真運(yùn)行過(guò)程。至于$display這個(gè)系統(tǒng)任務(wù)中各個(gè)部分的含義，請(qǐng)讀者自行閱讀verilog的語(yǔ)法書。代碼的42至49行便是調(diào)用此任務(wù)進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)的發(fā)送。

　　73行至91行為模擬串口接收部分，通過(guò)對(duì)串口模塊發(fā)送出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并將接收到的數(shù)據(jù)用$display函數(shù)打印出來(lái)。我們只需要閱讀發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)后打印出來(lái)的信息，即可判斷通信是否成功，待測(cè)模塊功能是否正常。

　　這里需要注意的是，打印出來(lái)的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)是針對(duì)仿真模型來(lái)說(shuō)的，send data是仿真模型發(fā)送出去的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)待測(cè)模塊應(yīng)該接收到的數(shù)據(jù)。receive data則是仿真模型接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)待測(cè)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　我們所編寫的測(cè)試文件，一定要是可控的，即在所有事務(wù)完成后，將仿真停下來(lái)，否則，仿真會(huì)一直進(jìn)行下去，導(dǎo)致出現(xiàn)大量冗余波形，影響我們對(duì)仿真結(jié)果的分析。因此在第51行，當(dāng)所有測(cè)試已經(jīng)完成后，使用系統(tǒng)任務(wù)$stop將仿真停下來(lái)。

　　以上對(duì)小梅哥寫的串口仿真模型進(jìn)行了介紹，在實(shí)際使用中，只需要將該模型與待測(cè)模塊按照如下圖所示的方式連接起來(lái)即可。

　　這里，小梅哥使用一個(gè)testbench文件作為頂層，將這兩個(gè)部分連接起來(lái)，同時(shí)產(chǎn)生my_uart_top工作所需的時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)。該文件詳細(xì)代碼如下：

　　1 `timescale 1ns /1ns

　　2

　　3 module Uart_tb ;

　　4

　　5 reg Clk;

　　6 reg Rst_n ;

　　7

　　8 wire uart_rx ;

　　9 wire uart_tx ;

　　10 wire send_state ;

　　11

　　12 my_uart_top u1 (

　　13 . clk( Clk),

　　14 . rst_n ( Rst_n ),

　　15 . rs232_rx ( uart_tx ),

　　16 . rs232_tx ( uart_rx )

　　17 );

　　18

　　19 Uart_module u2 (

　　20 . uart_rx ( uart_rx ),

　　21 . uart_tx ( uart_tx ),

　　22 . send_state ( send_state )

　　23 );

　　24

　　25 initial begin

　　26 Clk = 1;

　　27 Rst_n = 0;

　　28 #200 ;

　　29 Rst_n = 1;

　　30 end

　　31

　　32 always #10 Clk = ~Clk;

　　33

　　34 endmodule

　　35

　　該代碼實(shí)在簡(jiǎn)單，只是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)啟動(dòng)時(shí)的初始化和50MHz時(shí)鐘的產(chǎn)生，因此小梅哥就不做任何分析了。