零基礎學(xué)FPGA（十一）一步一腳印之基于FIFO的串口發(fā)送機設計全流程及常見(jiàn)錯誤詳解

　　記得在上幾篇博客中，有幾名網(wǎng)友提出要加進(jìn)去錯誤分析這一部分，那我們就從今天這篇文章開(kāi)始加進(jìn)去我在消化這段代碼的過(guò)程中遇到的迷惑，與大家分享。

　　今天要寫(xiě)的是一段基于FIFO的串口發(fā)送機設計，之前也寫(xiě)過(guò)串口發(fā)送的電路，這次寫(xiě)的與上次的有幾分類(lèi)似。這段代碼也是我看過(guò)別人寫(xiě)過(guò)的之后，消化一下再根據自己的理解寫(xiě)出來(lái)的，下面是我寫(xiě)這段代碼的全部流程和思路，希望對剛開(kāi)始接觸的朋友來(lái)說(shuō)有一點(diǎn)點(diǎn)的幫助，也希望有經(jīng)驗的朋友給予寶貴的建議。

　　首先來(lái)解釋一下FIFO的含義，FIFO就是First Input First Output的縮寫(xiě)，就是先入先出的意思，按照我的理解就是，先進(jìn)去的數據先出，例如一個(gè)數組的高位先進(jìn)，那么讀出來(lái)的時(shí)候也就高位先出。下面是百度百科的解釋。

　　FIFO一般用于不同時(shí)鐘域之間的數據傳輸，比如FIFO的一端是AD數據采集，另一端是計算機的PCI總線(xiàn)，假設其AD采集的速率為16位 100K SPS，那么每秒的數據量為100K×16bit=1.6Mbps,而PCI總線(xiàn)的速度為33MHz，總線(xiàn)寬度32bit,其最大傳輸速率為1056Mbps,在兩個(gè)不同的時(shí)鐘域間就可以采用FIFO來(lái)作為數據緩沖。另外對于不同寬度的數據接口也可以用FIFO，例如單片機位8位數據輸出，而DSP可能是16位數據輸入，在單片機與DSP連接時(shí)就可以使用FIFO來(lái)達到數據匹配的目的。

　　下面我們開(kāi)始設計。

　　這次設計我們要設計一個(gè)串口發(fā)送機，想一下的話(huà)，我們要發(fā)送數據，總得有一個(gè)數據產(chǎn)生模塊和數據發(fā)送模塊吧。好，那么在我們的腦海里就出現了這兩個(gè)模塊。由于我們這次是借用Altera公司提供的IP核FIFO來(lái)完成，所以要加入這個(gè)模塊，這個(gè)模塊作為一個(gè)數據緩沖器，需要我們例化，等會(huì )我們按照思路來(lái)例化它。

　　好，模塊出來(lái)了，我們將這三個(gè)模塊分別定義為dataoutput塊，fifo_ctrl塊和uart_ctrl塊?，F在考慮連線(xiàn)。我個(gè)人感覺(jué)在設計之前，把要設計的東西在草稿紙上將大體框圖畫(huà)出來(lái)，具體到每一根連線(xiàn)，這樣根據圖來(lái)寫(xiě)代碼要比直接用腦子構圖要方便的多。三個(gè)模塊，先考慮時(shí)鐘和復位信號線(xiàn)，三個(gè)模塊都有，然后，數據產(chǎn)生模塊要將產(chǎn)生的數據發(fā)給FIFO模塊，所以要有數據寫(xiě)入線(xiàn)，我們定義它為wr-datain，數據寫(xiě)入FIFO塊后總要輸出，這些數據就是我們要發(fā)送的數據，所以定義輸出數據線(xiàn)tx_data，先不管FIFO，我們再來(lái)定義數據發(fā)送模塊的連線(xiàn)，數據發(fā)送總要有個(gè)啟動(dòng)信號，所以我們定義變量tx_start，之后，還要有一個(gè)輸出端給PC機，我們定義這個(gè)輸出端位rs232，對于FIFO模塊的例化過(guò)程很簡(jiǎn)單就不做過(guò)多的說(shuō)明，只把接口說(shuō)一下，FIFO模塊除了時(shí)鐘，復位信號外，還有數據輸入端口，這個(gè)端口要和之前的數據產(chǎn)生模塊的數據輸出端口相連，還有寫(xiě)請求端口，高電平有效，數據發(fā)送模塊每隔1秒鐘產(chǎn)生一個(gè)16位的數據，并發(fā)送寫(xiě)請求命令給FIFO，還有讀請求命令，高電平有效數據發(fā)送模塊在發(fā)送數據時(shí)要發(fā)送一個(gè)讀請求給FIFO，從中讀取數據后再發(fā)送給PC機，還有空信號empty，只要檢測到FIFO中有數據，empty就為低電平，我們可用這個(gè)信號來(lái)啟動(dòng)數據發(fā)送模塊。這樣一來(lái)，我們的整體框架就出來(lái)了有了這個(gè)整體框架，再寫(xiě)代碼就容易多了。

　　下面是RTL視圖

　　下面我們來(lái)寫(xiě)代碼

　　按照這個(gè)框架，先把接口定義出來(lái)，中間的連線(xiàn)用wire型

　　設計完端口之后我們就來(lái)設計底層模塊，先設計數據產(chǎn)生模塊dataoutput

　　這個(gè)部分主要是產(chǎn)生數據，可用一個(gè)分頻電路實(shí)現每1s發(fā)送一次的數據，產(chǎn)生這16位數據的時(shí)候，需要16個(gè)時(shí)鐘，每個(gè)時(shí)鐘數據自加1，總體來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單

　　寫(xiě)完一個(gè)模塊之后養成好習慣，馬上把端口例化

　　數據產(chǎn)生以后就要進(jìn)入緩沖器FIFO，由于這段代碼我們是調用的，所以只要例化接口就好了，只需要將產(chǎn)生的fifo_ctrl_inst文件中例化好的代碼拷貝粘貼就好

　　最后我們要寫(xiě)數據發(fā)送部分

　　之前已經(jīng)講過(guò)，數據發(fā)送部分還要包括兩個(gè)子模塊，一個(gè)是波特率匹配模塊，一個(gè)是發(fā)送模塊，既然又包括兩個(gè)子模塊，那么我們還要構建一個(gè)框圖

　　按照之前的例子，當FIFO當中有數據時(shí)empty就會(huì )拉低，我們把它取反后送給發(fā)送模塊，告訴發(fā)送模塊準備發(fā)送，這樣，發(fā)送模塊就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)波特率計數器啟動(dòng)信號bps_start給波特率匹配模塊，波特率匹配模塊收到信號后立馬開(kāi)始匹配計數，并產(chǎn)生采集信號，將采集信號傳給發(fā)送模塊，發(fā)送模塊根據采集信號，將數據一位一位發(fā)送出去。知道了這個(gè)原理之后，我們構建起這樣一個(gè)框架

　　根據這個(gè)框圖，我們定義端口和線(xiàn)

　　定義完端口之后，開(kāi)始寫(xiě)發(fā)送模塊，用邊沿脈沖檢測法檢測啟動(dòng)信號tx_start信號的上升沿來(lái)啟動(dòng)發(fā)送部分，波特率配置模塊具體代碼在前面也文章中有給出，就不在說(shuō)明，寫(xiě)完之后例化端口，這兩個(gè)模塊作為數據發(fā)送模塊的子模塊，要在數據發(fā)送模塊下例化

　　這樣一來(lái)，我們整個(gè)設計就完成了，看上去很簡(jiǎn)單，但是從我自己實(shí)踐的角度來(lái)說(shuō)還是有點(diǎn)挑戰的，包括中間出現的各種問(wèn)題，下面就來(lái)分享一下我在做這個(gè)設計時(shí)遇到的問(wèn)題

　　1.例化問(wèn)題

　　在例化端口時(shí)，要注意括號里面的才是本層模塊的端口，也就是說(shuō)在本層模塊上面已經(jīng)定義過(guò)的變量，括號外面的才是被調用模塊的端口，也在下層模塊的頂部被聲明，我在寫(xiě)這段程序的時(shí)候將二者顛倒了，導致連線(xiàn)不成功，最終是通過(guò)查看RTL視圖知道了哪根線(xiàn)有問(wèn)題才修改成功的

　　2.同一個(gè)變量不能在多個(gè)always語(yǔ)句中被賦值

　　我們可能習慣這么寫(xiě)

　　always @ (posedge clk or negedge rst_n)

　　if(!rst_n) num <= 1'b0;

　　else num <= num+1'b1;

　　那么，num的值在其他always語(yǔ)句中就不允許再被賦值或者清零，我在寫(xiě)的時(shí)候在其他always語(yǔ)句中將num 清零了，導致編譯不成功

　　3. 定義變量之前不要出現該變量，即使后面又定義了

　　例如，我先進(jìn)性num的運算，之后再定義num，reg [3:0] num，這樣寫(xiě)的話(huà)雖然編譯沒(méi)有錯誤，但是在調用modelsim仿真的時(shí)候它會(huì )出現編譯錯誤，所以為了規范，不要這樣寫(xiě)

　　4. 在邊沿脈沖檢測的時(shí)候，我習慣于檢測下降沿，而這里是檢測tx_en 的上升沿，所以我在復位清零的時(shí)候錯誤的將兩級寄存器賦值為0，實(shí)際上在檢測上升沿時(shí)要對兩級寄存器復位時(shí)置一，再把最后一級寄存器取反后與上一級相與。

　　5. 在發(fā)送數據部分，由于受到上次寫(xiě)接收部分程序的影響，沒(méi)有將起始位發(fā)送出去，因為在接收部分，是不需要接收起始位的，是從第一位開(kāi)始，而在發(fā)送部分只有先發(fā)送起始位才能和上位機握手通信，還有在發(fā)送完數據后要發(fā)送停止位，其他情況下都發(fā)送高電平來(lái)阻止通信的進(jìn)行

　　6.最后一個(gè)問(wèn)題是最棘手的問(wèn)題，我找了好大一半天也沒(méi)發(fā)現，最后還是根據源代碼找出來(lái)的，不過(guò)我還是不知道將這兩條語(yǔ)句顛倒了對程序有什么影響，只知道顛倒后數據會(huì )一直在發(fā)送，不會(huì )像預設一樣，每隔一秒發(fā)送一次，至今還是搞不清楚，希望大神指點(diǎn)迷津

　　總之我覺(jué)得語(yǔ)法上的錯誤到不至于太難，寫(xiě)的多了就不會(huì )出錯了，關(guān)鍵是邏輯上的錯誤很隱蔽，也很難發(fā)現，可以通過(guò)RTL視圖來(lái)檢測連線(xiàn)上是否正確，還可以借助仿真工具，但是我現在仿真工具用的還不熟，就比如這段代碼，在板子上運行時(shí)正確的，但是我用軟件仿真時(shí)輸出端一直是高電平不變，也不知道為什么。反正要學(xué)的東西還很多，這點(diǎn)水平還是遠遠不夠，繼續加油吧!

　　今天就到此為止了，謝謝大家!

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