基于至简设计法的串口通信设计

王工1465177751

我们分析一下功能。串口调试助手发数据给FPGA，站在FPGA的角度来看，就是CH340通过控制RX信号，让RX信号根据串口时序变化，从而告知FPGA数据信号。那么FPGA工程必须有一个接口信号，命名为rx_uart。
FPGA要控制8个LED灯的亮灭，那就要8个信号，或者一个8比特的信号，命令为led。
综上所述，我们这个工程需要4个信号，时钟clk，复位rst_n，串口输入信号rx_uart和输出控制LED灯的8位信号led。
我们先分析要实现的功能，led信号控制了8个LED灯的亮灭，而具体哪些灯亮哪些灯灭，是取决于串口过来的数据。那串口过来的数据，是如何告知FPGA，并与led对应起来呢？我们可以看一下串口过来的时序。


上面波形是CH340控制的信号rx_uart。如果CH340要发送一个8位数据data，它首先会将信号rx_uart变0并持续一段时间（起启位），然后发送data[0]并持续一段时间，然后发送data[1]并持续一段时间，以此类推，发送data[7]并持续一段时间，最后CH340将rx_uart为1并持续一段时间（结束位）。这样CH340就完成了数据的发送。
例如，CH340要发送的数据data=8’h00110001，则rx_uart的波形如下。

再考虑一下时间信息。由于波特率是9600，那么每位持续的时间是1s/9600=104166ns。将时间信息补上波形。

本开发板的晶振时钟是50Mz，104166ns/20ns约等于5208个时钟周期。也就是说上面波形中，每个比特的持续时间约等于5208个时钟周期。需要注意的是，5208只是一个估计的大概数字，实际情况会有偏差。同时，我们还有计数这是第几个比特，用于让我们判断是开始位、数据位和停止位等。


可以看出，我们需要2个计数器，1个计数器用于计算1比特的位宽长度：5208个时钟周期，命名为cnt0；另一个用于计算有多少个比特，命名为cnt1。
很明显cnt0每次都是数5208个，但cnt0的加1条件需要仔细分析。我们很清楚cnt0的加1区域是下面的灰度地方。

目前没有任何信号可以区分出此区域。参考至简设计法案例2的方法，设计一个信号flag_add，当其为1表示上述灰度区域，即cnt0的加1区域。

有了flag_add，我们就很明确，cnt0的加1条件是flag_add==1，数到5208下就结束。为此，可以写出cnt0的代码。

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always @(posedge clk or negedge  rst_n)begin        if(!rst_n)begin            cnt0 <= 0;        end        else if(add_cnt0)begin            if(end_cnt0)               cnt0 <= 0;            else               cnt0 <= cnt0 + 1;        end   end      assign add_cnt0 = flag_add==1 ;   assign end_cnt0 = add_cnt0 &&  cnt0 == 5208-1 ;

接下来思考cnt1。Cnt1用于表示数到第几比特，每间隔一个比特时间，cnt1就会加1，也就是说，每当end_cnt0时，cnt1就会加1。所以cnt1的加1条件是：end_cnt0。而cnt1一共要数9个。故可以写出cnt1的代码。

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always @(posedge clk or negedge  rst_n)begin        if(!rst_n)begin            cnt1 <= 0;        end        else if(add_cnt1)begin            if(end_cnt1)               cnt1 <= 0;            else               cnt1 <= cnt1 + 1;        end   end      assign add_cnt1 = end_cnt0;   assign end_cnt1 = add_cnt1 &&  cnt1 == 9-1 ;

我们增加了辅导信号flag_add，现在我们来思考如何设计这个flag_add。Flag_add有2个变化点：变0和变1。Flag_add什么时候会变1呢？我们从功能上来理解一下。上电后，PC如果没有发送任何数据，rx_uart是一直保持为1。此时cnt0和cnt1也无须计数，也就是flag_add也一直保持为0。当PC要发送数据了，rx_uart就按串口时序变化，首先会发送一个开始位，即rx_uart由1变成0。FPGA看到rx_uart变1变成0后，就明白PC有数据要过来了，并且现在是开始位，此时cnt0和cnt1要计数了，也就是flag_add要变成1了。
从功能上理解，很容易就知道当原来flag_add为0，此时收到rx_uart由1变0（下降沿）时，flag_add就变成1。关键的是，我们如何知道rx_uart变1变成0呢？
有读者会用下面方式来检测rx_uart的下降沿。

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always   @(posedge clk or negedge rst_n)begin        if(rst_n==1'b0)begin            flag_add <= 1 ;        end        else if(end_cnt1)begin            flag_add <= 0 ;        end   end

将rx_uart放到ALWAYS语句的敏感列表，而敏感列表里刚好有一个negedge检测下降沿的语句，这样就实现了rx_uart的下降沿检测。不得不说，这是一个聪明的做法。从代码层面来说，这个功能貌似是可以实现的。并且如果是实验工程，好像也能得到正确的结果。然而，在真正的工程实践中，这是不可取的做法。
1.       读者有没有想过，为什么我们数字电路里都是二进制0和1？也就是低电平为0，高电平为1。有读者觉得这多浪费啊，为啥不搞多几个电平，例如可以低电平为0，1V为1，2V为2，3V为3。这样一根线就可以表示4种状态，也是四进制，效率不是提高了一倍吗？对于一根线来说是这样的，但对于一个系统来说则完成不同。系统要求器件越简单越好，考虑得越少越好，这样才能方便集成和扩展，才能无限地复制。1个四进制的器件，情愿选择2个二进制的器件。另外，越简单的器件，故障的可能性就越低。越简单的器件，越容易优化和发展。例如，二进制器件，我们不断地优化其体积和电压范围，则能不断地发展。则四进制器件，则会收到各个方面的制约，是会受到瓶颈的。这也是为什么数字电路比模块电路快速发展的原因。
2.       至简设计法也是同样道理。别看我们的规则简单，但就是制定了这么简单的规则，我们的设计角度就从波形设计转到了功能设计。我们的头脑中，不再去想复杂的波形，不再去想着对齐波形时序。我们更关注的是功能，例如计数10下，我们就直接用add_cnt && cnt==10-1表示。Dout信号在数到10个时就变高，我们就会写出下面代码：
If(add_cnt && cnt==10-1)
   dout <= 1;
这就是功能设计。
当然，有读者会疑问，这样不用考虑波形，真能保证波形是正确的吗？其实，这方面已经有明德扬的规范来保证，只要遵守了明德扬的规范，一定能保证正确性。读者可以试着挑些代码，从波形上验证正确性。
有工程师工作了10年，但却只有2年的工作经验。即使工作10年，也只是旧经验的简单重复，丝毫没有层次的上升。正常的上升道路应该是：一年波形设计（熟练掌握各种接口时序设计），2年功能设计（任何算法和功能，都能简单高效地设计出来），5年FPGA架构设计（能设计出高效的FPGA内部架构，精通模块划分），7年项目设计（ARM、DSP和FPGA之间的功能划分），10年产品设计（客户需求的落地，转化到项目设计）。

3.       时钟和复位，关系到整个FPGA工程的稳定。一般要求时钟精确稳定，抖动要小。FPGA里所有的触发器，都在时钟的节拍下，统一进行翻转。由于时钟周期是固定的，工程师在设计时会考虑电路延时，以便在时钟下次上升沿前计算完毕。只要所有的电路延时，都能够在在下次时钟沿前处理完毕，统一翻转，那么整个系统都是稳定的。但如果一个系统中，时钟过多，拥有不同的时钟周期，那么每个电路延时要求就不尽相同，工程师要考虑的也就越多，系统也就越不稳定。所以，一个工程，时钟越少越好，越简单就越稳定。复位也是同样的道理。所以，我们在设计时，切忌将信号接到敏感列表那里，接到那里的信号，就会被系统认为是时钟或者复位。

检查rx_uart的下降沿，就要用到FPGA里的边沿检测技术。所谓的边沿检测，就是检测输入信号，或者FPGA内部逻辑信号的跳变，即上升沿或者下降沿的检测。这在FPGA电路设计中相当的广泛。其电路图如下。



中间信号，trigger连到触发器的信号输入端D，触发器的输出器连的是tri_ff0。将trigger取反，与tri_ff0相与，就得到信号neg_edge，如果neg_edge=1就表示检测到trigger的下降沿。将tri_ff0取反，与trigger相与，就得到信号pos_edge，如果pos_edge=1，就表示检测到trigger的上升沿。
我们来讲解这个原理，画出信号的波形图。

Tri_ff0是触发器的输出，因此tri_ff0的信号与trigger信号相似，只是相差一个时钟周期。我们也可以这样理解：每个时钟上升沿看到的tri_ff0的值，其实就是triffer信号上一个时钟看到的值，也就是tri_ff0是trigger之前的值。
然后我们在看第3时钟上升沿，此时trigger值为0，而tri_ff0的值为1，即当前trigger的值为0，之前的值为1，这就是下降沿，此时neg_edge为1。当看到neg_edge为1，就表示检测到trigger的下降沿了。
同样道理，在第7个时钟上升沿，看到trigger值为1，而之前值为0，pos_edge为1，表示检测到trigger的上升沿。
Verilog实现边沿检测电路的代码。

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always   @(posedge clk or negedge rst_n)begin        if(rst_n==1'b0)begin            tri_ff0 <= 0;        end        else begin            tri_ff0 <= trigger ;        end   end      assign neg_edge = trigger==0 && tri_ff0==1;   assign pos_edge = trigger==1 &&  tri_ff0==0;

在讨论边沿检测的波形中，我们把trigger当成理想的同步信号，也就是trigger是满足D触发器的建立和保持时间的，这在同步系统中不是问题。但如果trigger不是理想的同步信号，例如外部按键信号，例如本工程的rx_uart信号。这些信号什么时候变化，完全是随机的。很有可能，在时钟上升沿变化，从而不满足触发器的建立时间和保持时间要求，从而出现亚稳态，导致系统崩溃。详细的原因，可以看D触发器中，亚稳态一节的内容。根据这一节内容的结论，我们需要对进来的信号打两拍（用两个触发器寄存一下），再来使用。

假设输入的信号trigger不是同步信号，那么要将该信号用2个触发器进行寄存，得到tri_ff0和tri_ff1。需要特别注意的是，tri_ff0绝对不要拿来当条件使用，只能使用tri_ff1。我们还需要检测边沿，根据前面所说，再用寄存器寄存，得到tri_ff2。根据tri_ff1和tri_ff2，我们就可以得到边沿检测。当tri_ff1==1且tri_ff2==0时，上升沿的pos_edge有效；当tri_ff1==0且tri_ff2==1时，下降沿的neg_edge有效。

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always   @(posedge clk or negedge rst_n)begin        if(rst_n==1'b0)begin            tri_ff0 <= 0;            tri_ff1 <= 0;            tri_ff2 <= 0;        end        else begin            tri_ff0 <= trigger ;            tri_ff1 <= tri_ff0 ;            tri_ff2 <= tri_ff1 ;        end   end      assign neg_edge = tri_ff1==0 &&  tri_ff2==1;   assign  pos_edge = tri_ff1==1 && tri_ff2==0;

我们总结一下。如果通过打两拍的方式，实现了信号的同步化。我们通过打一拍的方式，实现边沿检测电路。这两者不是一定同时出现的。如果进来的信号是异步信号，那就必须先同步化，然后再做检测。如果进来的信号本身就是同步信号，那就没有必要做同步化了，直接做边沿检测即可。

回到本工程的设计，我们需要检测rx_uart的下降沿，从而让flag_add变高。同时，我们注意到rx_uart是异步信号（PC什么时候发送数据就是随机的）。所以需要将rx_uart先同步化，再做下降沿检测。所以先设计如下代码：

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always   @(posedge clk or negedge rst_n)begin        if(rst_n==1'b0)begin            rx_uart_ff0 <= 0 ;            rx_uart_ff1 <= 0 ;            rx_uart_ff2 <= 0 ;        end        else begin            rx_uart_ff0 <= rx_uart ;            rx_uart_ff1 <= rx_uart_ff0 ;            rx_uart_ff2 <= rx_uart_ff1 ;        end   end

这样，flag_add变1的条件就变成：rx_uart_ff1==0 &&rx_uart_ff2==1。
Flag_add变0的条件，可以完成收完9比特数据就变0，不用再计数了。所以变0条件：end_cnt1。
综上所述，可以写出flag_add的代码。

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always   @(posedge clk or negedge rst_n)begin        if(rst_n==1'b0)begin            flag_add <= 0 ;        end        else if(rx_uart_ff1==0 && rx_uart_ff2==1)begin            flag_add <= 1 ;        end        else if(end_cnt1)begin            flag_add <= 0 ;        end   end

设计下data信号，该信号的值来自于图中第2~第9比特的值。第2比特的值赋给data[0]，第3比特的值赋给data[1]，以此类推，第9比特的值赋给data[7]。

由于每一个比特都持续5208个时钟周期，我们必须选定一个时刻，将值赋给data。

首先，不能在end_cnt0的时候赋值，如上图的点。因为我们这里的5208个时钟周期是理想、估算的数值，实际上是非常有可能有偏差的。如果我们在end_cnt0的时候取值，就有可能采错。
最保险的做法是在中间点取值。这样，即使有比较多的偏差，都不会影响到采样的正确性。

综上所述，我们在cnt0数到一半时采到当前rx_uart的值赋给dout，其中第2比特赋给dout[0]，第3比特赋给dout[1]，以此类推，第9比特赋给dout[7]。
进一步用信号表示，可翻译成：数到add_cnt0 &&cnt0==5208/2 -1时，如果cnt1==1，则将rx_uart_ff1赋给dout[0]。如果cnt1==2，则将rx_uart_ff1赋给dout[1]，以此类推，如果cnt1==8，将rx_uart_ff1赋给dout[7]。
那么直接翻译成代码。

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always   @(posedge clk or negedge rst_n)begin        if(rst_n==1'b0)begin            dout <= 0 ;        end        else if(add_cnt0 && cnt0==5208/2-1)begin            if(cnt1==1)               dout[0] <= rx_uart_ff1 ;            else if(cnt1==2)               dout[1] <= rx_uart_ff1 ;            else if(cnt1==3)               dout[2] <= rx_uart_ff1 ;            else if(cnt1==4)               dout[3] <= rx_uart_ff1 ;            else if(cnt1==5)               dout[4] <= rx_uart_ff1 ;            else if(cnt1==6)               dout[5] <= rx_uart_ff1 ;            else if(cnt1==7)                dout[6] <= rx_uart_ff1 ;            else               dout[7] <= rx_uart_ff1 ;        end   end

上面代码可优化，简写成如下：

1   2   3   4   5   6   7   8

always   @(posedge clk or negedge rst_n)begin        if(rst_n==1'b0)begin            dout <= 0 ;        end        else if(add_cnt0 && cnt0==5208/2-1 && cnt1>=1  && cnt1<9)begin            dout[cnt1-1] <= rx_uart_ff1 ;        end   end