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大家好，這幾天在各個(gè)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(gè)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(gè)版本(目前確定為特權(quán)同學(xué)的基于EPM240入門實(shí)驗(yàn)的代碼)。他們?cè)谡{(diào)試這個(gè)代碼的時(shí)候，經(jīng)常存在這樣幾個(gè)問題：1、部分人對(duì)該串口通訊模塊完全不理解，對(duì)每句話，甚至每個(gè)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(duì)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(huì)使用modelsim對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真;4、絕大部分人不會(huì)編寫testbench;5、下板測(cè)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(duì)該代碼寫一個(gè)由原理到代碼，由仿真到板級(jí)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(huì)大家來調(diào)試這個(gè)代碼。 本調(diào)試筆記主要由五個(gè)部分組成：原始代碼分析;原始代碼驗(yàn)證;對(duì)原始代碼進(jìn)行修改;對(duì)修改后的代碼進(jìn)行驗(yàn)證;對(duì)修改后的設(shè)計(jì)進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證。每個(gè)部分，小梅哥都會(huì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了單字節(jié)的收發(fā)測(cè)試，沒有對(duì)連續(xù)字節(jié)的收發(fā)進(jìn)行測(cè)試。特權(quán)同學(xué)當(dāng)時(shí)也說過，這個(gè)只是一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，離實(shí)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(shí)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(shí)際小梅哥還做過更高波特率的測(cè)試，目前實(shí)測(cè)在115200波特率的速率下可以實(shí)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(jì)架構(gòu)在這里列出來，以給讀者一個(gè)直觀的印象。 由上圖可知，特權(quán)同學(xué)的UART串口設(shè)計(jì)主要包含了四個(gè)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(shí)所需的波特率時(shí)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(shí)的波特率時(shí)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(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊間的信號(hào)連接功能，通過該頂層模塊的連接，實(shí)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(cè)試串口通信最常用的一種方式——回環(huán)測(cè)試。特權(quán)同學(xué)該實(shí)驗(yàn)的各個(gè)端口和內(nèi)部信號(hào)的意義如表1所示： 該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容為，串口接收模塊在檢測(cè)到發(fā)送設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)起始位時(shí)，接收中斷信號(hào)置1，該信號(hào)則作為啟動(dòng)串口接收波特率發(fā)送器的控制信號(hào)，然后在每個(gè)波特率時(shí)鐘上升沿到來時(shí)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(hào)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(shí)，接收中斷信號(hào)的下降沿也作為串口發(fā)送模塊的發(fā)送使能信號(hào)，因?yàn)橐坏┙邮罩袛嘈盘?hào)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(shí)，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(shí)鐘的上升沿到來時(shí)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(dòng)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(hào)下降沿的到來。 這里，我們首先對(duì)該設(shè)計(jì)的波特率發(fā)生器模塊進(jìn)行分析。該模塊相對(duì)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 38 else if(( cnt == `BPS_PARA ) || ! bps_start ) cnt 39 else cnt 40 41 always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) 42 if(! rst_n ) clk_bps_r 43 else if( cnt == `BPS_PARA_2 ) clk_bps_r //clk_bps_r , 44 else clk_bps_r 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(shí)波特率分頻計(jì)數(shù)器的值應(yīng)該為多少，以及波特率計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到一半時(shí)的值為多少(該值作為對(duì)信號(hào)的采樣點(diǎn)，因?yàn)橐话闱闆r下，一位數(shù)據(jù)，在該位數(shù)據(jù)保持時(shí)間的中間時(shí)刻是最穩(wěn)定的)。26行和27行定義的兩個(gè)參數(shù)BPS_PARA和BPS_PARA_2分別就是波特率分頻計(jì)數(shù)器的最大值和中間值。實(shí)際使用時(shí)，只需要根據(jù)你所需要的波特率，更改這兩個(gè)參數(shù)的值即可 。例如，選擇波特率為9600bps時(shí)，設(shè)定BPS_PARA=5207，BPS_PARA_2=2603。關(guān)于這個(gè)值的計(jì)算，這里暫時(shí)不提，后文會(huì)有交代。 36行至39行為波特率分頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)進(jìn)程，即波特率發(fā)生模塊沒有被使能(! bps_start)或者計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到BPS_PARA后則將計(jì)數(shù)器清零，其它情況下則每來一個(gè)時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)器自加1。通過此進(jìn)程，則可得到相對(duì)精準(zhǔn)的波特率定時(shí)。 41行至44行為數(shù)據(jù)采樣時(shí)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(shí)間的中間時(shí)刻是最穩(wěn)定的”，因此這里我們?cè)谟?jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到一半時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘周期的高脈沖，此脈沖作為采樣數(shù)據(jù)的使能信號(hào)。 以上為波特率發(fā)生器的代碼及分析，波特率發(fā)生模塊在例化時(shí)被分別例化為串口發(fā)送波特率發(fā)生器和串口接收波特率發(fā)生器。接下來我們?cè)賮矸治龃诮邮漳K的代碼。 1 module my_uart_rx ( 2 clk, rst_n , 3 rs232_rx , rx_data , rx_int , 4 clk_bps , bps_start 5 ); 6 7 input clk; // 50MHz 8 input rst_n ; // 9 input rs232_rx ; // RS232 10 input clk_bps ; // clk_bps 11 output bps_start ; // 12 output [ 7: 0] rx_data ; // 13 output rx_int ; // , 14 15 //--------------------------------------------------------- 16 reg rs232_rx0 , rs232_rx1 , rs232_rx2 , rs232_rx3 ; // 17 wire neg_rs232_rx ; // 18 19 always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) begin 20 if(! rst_n ) begin 21 rs232_rx0 22 rs232_rx1 23 rs232_rx2 24 rs232_rx3 25 end 26 else begin 27 rs232_rx0 28 rs232_rx1 29 rs232_rx2 30 rs232_rx3 31 end 32 end 33 // 34 // 35 // 40ns 36 assign neg_rs232_rx = rs232_rx3 & rs232_rx2 & ~rs232_rx1 & ~rs232_rx0; // neg_rs232_rx 37 38 //--------------------------------------------------------- 39 reg bps_start_r ; 40 reg[ 3: 0] num; // 41 reg rx_int ; // , 42 43 always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) 44 if(! rst_n ) begin 45 bps_start_r 46 rx_int 47 end 48 else if( neg_rs232_rx ) begin // rs232_rx 49 bps_start_r 50 rx_int 51 end 52 else if( num==4'd12 ) begin // 53 bps_start_r 54 rx_int 55 end 56 57 assign bps_start = bps_start_r ; 58 59 //--------------------------------------------------------- 60 reg[ 7 : 0] rx_data_r ; // 61 //--------------------------------------------------------- 62 63 reg[ 7 : 0] rx_temp_data ; // 64 65 always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) 66 if(! rst_n ) begin 67 rx_temp_data 68 num 69 rx_data_r 70 end 71 else if( rx_int ) begin // 72 if( clk_bps ) begin // , 8bit 1 2 73 num 74 case ( num) 75 4'd1:rx_temp_data[0] 76 4'd2:rx_temp_data [1] 77 4'd3:rx_temp_data [2] 78 4'd4:rx_temp_data [3] 79 4'd5:rx_temp_data [4] 80 4'd6:rx_temp_data [5] 81 4'd7:rx_temp_data [6] 82 4'd8:rx_temp_data [7] 83 default : ; 84 endcase 85 end 86 else if( num == 4'd12 ) begin // 1+8+1(2)=11bit 87 num 88 rx_data_r 89 end 90 end 91 92 assign rx_data = rx_data_r ; 93 94 endmodule 第19行到第36行為起始位檢測(cè)部分，19到32行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)rs232_rx端口上電平的連續(xù)四個(gè)時(shí)鐘周期的寄存，第36行則對(duì)這連續(xù)4個(gè)時(shí)鐘上升沿時(shí)的rs232_rx端口電平進(jìn)行邏輯操作，得出rs232_rx端口信號(hào)下降沿的到來。neg_rs232_rx = rs232_rx3 & rs232_rx2 & ~rs232_rx1 & ~rs232_rx0，即后兩次寄存的狀態(tài)為低電平而前兩次寄存的裝填為高電平，則表明該端口上的信號(hào)發(fā)生了1->0的跳變，即有下降沿出現(xiàn)。neg_rs232_rx信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期的高脈沖。 第43行至第55行則根據(jù)neg_rs232_rx和num計(jì)數(shù)值來控制串口接收波特率發(fā)生器的工作和接收中斷信號(hào)。第65行至第90行則采用線性序列機(jī)的設(shè)計(jì)方式，進(jìn)行一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)的接收。 以上為對(duì)串口接收模塊的一個(gè)簡單分析，接下來，再進(jìn)行串口發(fā)送模塊的分析。 1 module my_uart_tx ( 2 clk, rst_n , 3 rx_data , rx_int , rs232_tx , 4 clk_bps , bps_start 5 ); 6 7 input clk; // 50MHz 8 input rst_n ; // 9 input clk_bps ; // clk_bps_r , 10 input [ 7 : 0] rx_data ; // 11 input rx_int ; 12 output rs232_tx ; // RS232 13 output bps_start ; // 14 15 //--------------------------------------------------------- 16 reg rx_int0 , rx_int1 , rx_int2 ; //rx_int 17 wire neg_rx_int ; // rx_int 18 19 always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) begin 20 if(! rst_n ) begin 21 rx_int0 22 rx_int1 23 rx_int2 24 end 25 else begin 26 rx_int0 27 rx_int1 28 rx_int2 29 end 30 end 31 32 assign neg_rx_int = ~rx_int1 & rx_int2 ; // neg_rx_int 33 34 //--------------------------------------------------------- 35 reg[ 7 : 0] tx_data ; // 36 //--------------------------------------------------------- 37 reg bps_start_r ; 38 reg tx_en ; // 39 reg[ 3: 0] num; 40 41 always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) begin 42 if(! rst_n ) begin 43 bps_start_r 44 tx_en 45 tx_data 46 end 47 else if( neg_rx_int ) begin // 48 bps_start_r 49 tx_data 50 tx_en 51 end 52 else if( num==4'd11 ) begin // 53 bps_start_r 54 tx_en 55 end 56 end 57 58 assign bps_start = bps_start_r ; 59 60 //--------------------------------------------------------- 61 reg rs232_tx_r ; 62 63 always @ ( posedge clk or negedge rst_n ) begin 64 if(! rst_n ) begin 65 num 66 rs232_tx_r 67 end 68 else if( tx_en ) begin 69 if( clk_bps ) begin 70 num 71 case ( num) 72 4'd0 : rs232_tx_r 73 4'd1 : rs232_tx_r 74 4'd2 : rs232_tx_r 75 4'd3 : rs232_tx_r 76 4'd4 : rs232_tx_r 77 4'd5 : rs232_tx_r 78 4'd6 : rs232_tx_r 79 4'd7 : rs232_tx_r 80 4'd8 : rs232_tx_r 81 4'd9 : rs232_tx_r 82 default : rs232_tx_r 83 endcase 84 end 85 else if( num==4'd11 ) num 86 end 87 end 88 89 assign rs232_tx = rs232_tx_r ; 90 91 endmodule 代碼19行到30行對(duì)串口接收模塊的接收中斷信號(hào)進(jìn)行了3次寄存，第32行則通過對(duì)連續(xù)兩次寄存結(jié)果的判斷，來檢測(cè)接收中斷信號(hào)rx_int的下降沿。如果有下降沿到來，neg_rx_int信號(hào)則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘周期的高脈沖信號(hào)，第47行則通過對(duì)該信號(hào)的狀態(tài)判斷，來確定是否啟動(dòng)發(fā)送波特率發(fā)生器模塊。如果檢測(cè)到了該高脈沖，則使能串口發(fā)送(tx_en FPGA愛好者學(xué)習(xí)。 原始代碼驗(yàn)證 前面，通對(duì)設(shè)計(jì)代碼的一個(gè)簡單分析，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，通過仿真來分析此設(shè)計(jì)的性能。 仿真的思路很簡單，就是通過模擬串口發(fā)送過程，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，通過該模塊來讀取串口發(fā)送出來的數(shù)據(jù)。考慮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)送過來的數(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，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⒋a復(fù)制到word的過程中，會(huì)有一定的格式兼容問題，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，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$display這個(gè)系統(tǒng)任務(wù)中各個(gè)部分的含義，請(qǐng)讀者自行閱讀verilog的語法書。代碼的42至49行便是調(diào)用此任務(wù)進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)的發(fā)送。 73行至91行為模擬串口接收部分，通過對(duì)串口模塊發(fā)送出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并將接收到的數(shù)據(jù)用$display函數(shù)打印出來。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，打印出來的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)是針對(duì)仿真模型來說的，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，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。 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，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。 |
