零基礎(chǔ)學(xué)FPGA（十一）一步一腳印之基于FIFO的串口發(fā)送機(jī)設(shè)計(jì)全流程及常見錯(cuò)誤詳解

關(guān)鍵詞： FPGA , FIFO

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

今天要寫的是一段基于FIFO的串口發(fā)送機(jī)設(shè)計(jì)，之前也寫過串口發(fā)送的電路，這次寫的與上次的有幾分類似。這段代碼也是我看過別人寫過的之后，消化一下再根據(jù)自己的理解寫出來的，下面是我寫這段代碼的全部流程和思路，希望對剛開始接觸的朋友來說有一點(diǎn)點(diǎn)的幫助，也希望有經(jīng)驗(yàn)的朋友給予寶貴的建議。

首先來解釋一下FIFO的含義，F(xiàn)IFO就是First Input First Output的縮寫，就是先入先出的意思，按照我的理解就是，先進(jìn)去的數(shù)據(jù)先出，例如一個(gè)數(shù)組的高位先進(jìn)，那么讀出來的時(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(shù)據(jù)傳輸，比如FIFO的一端是AD數(shù)據(jù)采集，另一端是計(jì)算機(jī)的PCI總線，假設(shè)其AD采集的速率為16位 100K SPS，那么每秒的數(shù)據(jù)量為100K×16bit=1.6Mbps,而PCI總線的速度為33MHz，總線寬度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來作為數(shù)據(jù)緩沖。另外對于不同寬度的數(shù)據(jù)接口也可以用FIFO，例如單片機(jī)位8位數(shù)據(jù)輸出，而DSP可能是16位數(shù)據(jù)輸入，在單片機(jī)與DSP連接時(shí)就可以使用FIFO來達(dá)到數(shù)據(jù)匹配的目的。

下面我們開始設(shè)計(jì)。

這次設(shè)計(jì)我們要設(shè)計(jì)一個(gè)串口發(fā)送機(jī)，想一下的話，我們要發(fā)送數(shù)據(jù)，總得有一個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊吧。好，那么在我們的腦海里就出現(xiàn)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來完成，所以要加入這個(gè)模塊，這個(gè)模塊作為一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器，需要我們例化，等會我們按照思路來例化它。

好，模塊出來了，我們將這三個(gè)模塊分別定義為dataoutput塊，fifo_ctrl塊和uart_ctrl塊?，F(xiàn)在考慮連線。我個(gè)人感覺在設(shè)計(jì)之前，把要設(shè)計(jì)的東西在草稿紙上將大體框圖畫出來，具體到每一根連線，這樣根據(jù)圖來寫代碼要比直接用腦子構(gòu)圖要方便的多。三個(gè)模塊，先考慮時(shí)鐘和復(fù)位信號線，三個(gè)模塊都有，然后，數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊要將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)給FIFO模塊，所以要有數(shù)據(jù)寫入線，我們定義它為wr-datain，數(shù)據(jù)寫入FIFO塊后總要輸出，這些數(shù)據(jù)就是我們要發(fā)送的數(shù)據(jù)，所以定義輸出數(shù)據(jù)線tx_data，先不管FIFO，我們再來定義數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的連線，數(shù)據(jù)發(fā)送總要有個(gè)啟動信號，所以我們定義變量tx_start，之后，還要有一個(gè)輸出端給PC機(jī)，我們定義這個(gè)輸出端位rs232，對于FIFO模塊的例化過程很簡單就不做過多的說明，只把接口說一下，F(xiàn)IFO模塊除了時(shí)鐘，復(fù)位信號外，還有數(shù)據(jù)輸入端口，這個(gè)端口要和之前的數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊的數(shù)據(jù)輸出端口相連，還有寫請求端口，高電平有效，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊每隔1秒鐘產(chǎn)生一個(gè)16位的數(shù)據(jù)，并發(fā)送寫請求命令給FIFO，還有讀請求命令，高電平有效數(shù)據(jù)發(fā)送模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)要發(fā)送一個(gè)讀請求給FIFO，從中讀取數(shù)據(jù)后再發(fā)送給PC機(jī)，還有空信號empty，只要檢測到FIFO中有數(shù)據(jù)，empty就為低電平，我們可用這個(gè)信號來啟動數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。這樣一來，我們的整體框架就出來了有了這個(gè)整體框架，再寫代碼就容易多了。

下面是RTL視圖

下面我們來寫代碼

按照這個(gè)框架，先把接口定義出來，中間的連線用wire型

設(shè)計(jì)完端口之后我們就來設(shè)計(jì)底層模塊，先設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊dataoutput

這個(gè)部分主要是產(chǎn)生數(shù)據(jù)，可用一個(gè)分頻電路實(shí)現(xiàn)每1s發(fā)送一次的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生這16位數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要16個(gè)時(shí)鐘，每個(gè)時(shí)鐘數(shù)據(jù)自加1，總體來說比較簡單

寫完一個(gè)模塊之后養(yǎng)成好習(xí)慣，馬上把端口例化

數(shù)據(jù)產(chǎn)生以后就要進(jìn)入緩沖器FIFO，由于這段代碼我們是調(diào)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

最后我們要寫數(shù)據(jù)發(fā)送部分

之前已經(jīng)講過，數(shù)據(jù)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(gòu)建一個(gè)框圖

按照之前的例子，當(dāng)FIFO當(dāng)中有數(shù)據(jù)時(shí)empty就會拉低，我們把它取反后送給發(fā)送模塊，告訴發(fā)送模塊準(zhǔn)備發(fā)送，這樣，發(fā)送模塊就會產(chǎn)生一個(gè)波特率計(jì)數(shù)器啟動信號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始匹配計(jì)數(shù)，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(jù)采集信號，將數(shù)據(jù)一位一位發(fā)送出去。知道了這個(gè)原理之后，我們構(gòu)建起這樣一個(gè)框架

根據(jù)這個(gè)框圖，我們定義端口和線

定義完端口之后，開始寫發(fā)送模塊，用邊沿脈沖檢測法檢測啟動信號tx_start信號的上升沿來啟動發(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，就不在說明，寫完之后例化端口，這兩個(gè)模塊作為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的子模塊，要在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊下例化

這樣一來，我們整個(gè)設(shè)計(jì)就完成了，看上去很簡單，但是從我自己實(shí)踐的角度來說還是有點(diǎn)挑戰(zhàn)的，包括中間出現(xiàn)的各種問題，下面就來分享一下我在做這個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)遇到的問題

1.例化問題

在例化端口時(shí)，要注意括號里面的才是本層模塊的端口，也就是說在本層模塊上面已經(jīng)定義過的變量，括號外面的才是被調(diào)用模塊的端口，也在下層模塊的頂部被聲明，我在寫這段程序的時(shí)候?qū)⒍哳嵉沽?，?dǎo)致連線不成功，最終是通過查看RTL視圖知道了哪根線有問題才修改成功的

2.同一個(gè)變量不能在多個(gè)always語句中被賦值

我們可能習(xí)慣這么寫

always @ (posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) num

5. 在發(fā)送數(shù)據(jù)部分，由于受到上次寫接收部分程序的影響，沒有將起始位發(fā)送出去，因?yàn)樵诮邮詹糠?，是不需要接收起始位的，是從第一位開始，而在發(fā)送部分只有先發(fā)送起始位才能和上位機(jī)握手通信，還有在發(fā)送完數(shù)據(jù)后要發(fā)送停止位，其他情況下都發(fā)送高電平來阻止通信的進(jìn)行

6.最后一個(gè)問題是最棘手的問題，我找了好大一半天也沒發(fā)現(xiàn)，最后還是根據(jù)源代碼找出來的，不過我還是不知道將這兩條語句顛倒了對程序有什么影響，只知道顛倒后數(shù)據(jù)會一直在發(fā)送，不會像預(yù)設(shè)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

總之我覺得語法上的錯(cuò)誤到不至于太難，寫的多了就不會出錯(cuò)了，關(guān)鍵是邏輯上的錯(cuò)誤很隱蔽，也很難發(fā)現(xiàn)，可以通過RTL視圖來檢測連線上是否正確，還可以借助仿真工具，但是我現(xiàn)在仿真工具用的還不熟，就比如這段代碼，在板子上運(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，繼續(xù)加油吧!