基于FIFO的串口发送机设计全流程及常见错误详解

首先来解释一下FIFO的含义，FIFO就是First Input First Output的缩写，就是先入先出的意思，按照我的理解就是，先进去的数据先出，例如一个数组的高位先进，那么读出来的时候也就高位先出。下面是百度百科的解释。
　　FIFO一般用于不同时钟域之间的数据传输，比如FIFO的一端是AD数据采集，另一端是计算机的PCI总线，假设其AD采集的速率为16位 100K SPS，那么每秒的数据量为100K×16bit=1.6Mbps,而PCI总线的速度为33MHz，总线宽度32bit,其最大传输速率为1056Mbps,在两个不同的时钟域间就可以采用FIFO来作为数据缓冲。另外对于不同宽度的数据接口也可以用FIFO，例如单片机位8位数据输出，而DSP可能是16位数据输入，在单片机与DSP连接时就可以使用FIFO来达到数据匹配的目的。
　　下面我们开始设计。
　　这次设计我们要设计一个串口发送机，想一下的话，我们要发送数据，总得有一个数据产生模块和数据发送模块吧。好，那么在我们的脑海里就出现了这两个模块。由于我们这次是借用Altera公司提供的IP核FIFO来完成，所以要加入这个模块，这个模块作为一个数据缓冲器，需要我们例化，等会我们按照思路来例化它。
　　好，模块出来了，我们将这三个模块分别定义为dataoutput块，fifo_ctrl块和uart_ctrl块。现在考虑连线。我个人感觉在设计之前，把要设计的东西在草稿纸上将大体框图画出来，具体到每一根连线，这样根据图来写代码要比直接用脑子构图要方便的多。三个模块，先考虑时钟和复位信号线，三个模块都有，然后，数据产生模块要将产生的数据发给FIFO模块，所以要有数据写入线，我们定义它为wr-datain，数据写入FIFO块后总要输出，这些数据就是我们要发送的数据，所以定义输出数据线tx_data，先不管FIFO，我们再来定义数据发送模块的连线，数据发送总要有个启动信号，所以我们定义变量tx_start，之后，还要有一个输出端给PC机，我们定义这个输出端位rs232，对于FIFO模块的例化过程很简单就不做过多的说明，只把接口说一下，FIFO模块除了时钟，复位信号外，还有数据输入端口，这个端口要和之前的数据产生模块的数据输出端口相连，还有写请求端口，高电平有效，数据发送模块每隔1秒钟产生一个16位的数据，并发送写请求命令给FIFO，还有读请求命令，高电平有效数据发送模块在发送数据时要发送一个读请求给FIFO，从中读取数据后再发送给PC机，还有空信号empty，只要检测到FIFO中有数据，empty就为低电平，我们可用这个信号来启动数据发送模块。这样一来，我们的整体框架就出来了有了这个整体框架，再写代码就容易多了。
　　下面是RTL视图



　　下面我们来写代码
　　按照这个框架，先把接口定义出来，中间的连线用wire型



　　设计完端口之后我们就来设计底层模块，先设计数据产生模块dataoutput
　　这个部分主要是产生数据，可用一个分频电路实现每1s发送一次的数据，产生这16位数据的时候，需要16个时钟，每个时钟数据自加1，总体来说比较简单



　　写完一个模块之后养成好习惯，马上把端口例化



　　数据产生以后就要进入缓冲器FIFO，由于这段代码我们是调用的，所以只要例化接口就好了，只需要将产生的fifo_ctrl_inst文件中例化好的代码拷贝粘贴就好



　　最后我们要写数据发送部分
　　之前已经讲过，数据发送部分还要包括两个子模块，一个是波特率匹配模块，一个是发送模块，既然又包括两个子模块，那么我们还要构建一个框图
　　按照之前的例子，当FIFO当中有数据时empty就会拉低，我们把它取反后送给发送模块，告诉发送模块准备发送，这样，发送模块就会产生一个波特率计数器启动信号bps_start给波特率匹配模块，波特率匹配模块收到信号后立马开始匹配计数，并产生采集信号，将采集信号传给发送模块，发送模块根据采集信号，将数据一位一位发送出去。知道了这个原理之后，我们构建起这样一个框架



　　根据这个框图，我们定义端口和线



　　定义完端口之后，开始写发送模块，用边沿脉冲检测法检测启动信号tx_start信号的上升沿来启动发送部分，波特率配置模块具体代码在前面也文章中有给出，就不在说明，写完之后例化端口，这两个模块作为数据发送模块的子模块，要在数据发送模块下例化






　　这样一来，我们整个设计就完成了，看上去很简单，但是从我自己实践的角度来说还是有点挑战的，包括中间出现的各种问题，下面就来分享一下我在做这个设计时遇到的问题
　　1.例化问题
　　在例化端口时，要注意括号里面的才是本层模块的端口，也就是说在本层模块上面已经定义过的变量，括号外面的才是被调用模块的端口，也在下层模块的顶部被声明，我在写这段程序的时候将二者颠倒了，导致连线不成功，最终是通过查看RTL视图知道了哪根线有问题才修改成功的


　　2.同一个变量不能在多个always语句中被赋值
　　我们可能习惯这么写
　　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语句中就不允许再被赋值或者清零，我在写的时候在其他always语句中将num 清零了，导致编译不成功
　　3. 定义变量之前不要出现该变量，即使后面又定义了
　　例如，我先进性num的运算，之后再定义num，reg [3:0] num，这样写的话虽然编译没有错误，但是在调用modelsim仿真的时候它会出现编译错误，所以为了规范，不要这样写
　　4. 在边沿脉冲检测的时候，我习惯于检测下降沿，而这里是检测tx_en 的上升沿，所以我在复位清零的时候错误的将两级寄存器赋值为0，实际上在检测上升沿时要对两级寄存器复位时置一，再把最后一级寄存器取反后与上一级相与。



　　5. 在发送数据部分，由于受到上次写接收部分程序的影响，没有将起始位发送出去，因为在接收部分，是不需要接收起始位的，是从第一位开始，而在发送部分只有先发送起始位才能和上位机握手通信，还有在发送完数据后要发送停止位，其他情况下都发送高电平来阻止通信的进行



　　6.最后一个问题是最棘手的问题，我找了好大一半天也没发现，最后还是根据源代码找出来的，不过我还是不知道将这两条语句颠倒了对程序有什么影响，只知道颠倒后数据会一直在发送，不会像预设一样，每隔一秒发送一次，至今还是搞不清楚，希望大神指点迷津



　　总之我觉得语法上的错误到不至于太难，写的多了就不会出错了，关键是逻辑上的错误很隐蔽，也很难发现，可以通过RTL视图来检测连线上是否正确，还可以借助仿真工具，但是我现在仿真工具用的还不熟，就比如这段代码，在板子上运行时正确的，但是我用软件仿真时输出端一直是高电平不变，也不知道为什么。反正要学的东西还很多，这点水平还是远远不够，继续加油吧!
　　今天就到此为止了，谢谢大家!

基于FIFO的串口发送机设计全流程及常见错误详解

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