小梅哥和你一起深入學習FPGA之串口調試（一）(上)

　　原始代碼驗證

　　前面，通對設計代碼的一個簡單分析，弄清楚了特權同學設計代碼的基本架構和思路。那么看過特權同學教學視頻的都知道，該代碼能夠實現一個字節的數據收發測試。那么這里，小梅哥就先對該設計進行一個仿真，通過仿真來分析此設計的性能。

　　仿真的思路很簡單，就是通過模擬串口發送過程，給該設計模塊發送數據，由前面分析可知，該設計模塊接收到數據后，會立即將數據發送出去，因此我們還需要對串口發送出來的數據進行分析，這里，熟悉Uart協議的，我們可以直接觀察發送波形。當然，為了更加直觀，我們也可以設計一個模擬串口接收數據的仿真模型，通過該模塊來讀取串口發送出來的數據。考慮到看這篇文章的大多是初學者，為了讓大家能夠更好的查看我們的仿真結果，同時教大家進行仿真模型的設計，小梅哥還是自己編寫了一個虛擬的串口仿真模型。驗證時，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的給串口模塊發送數據，同時接收串口發送過來的數據。并會實時的將發送的數據和接收的數據打印出來，實際在觀察仿真結果時，我們便只需要觀看打印的結果就可以了。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

　　因為在將代碼復制到word的過程中，會有一定的格式兼容問題，所以文中部分格式不是太規范，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習。

　　本仿真模型的第一句話“`timescale 1ns/1ps”為仿真精度及時間的說明，定義時間精度為1ps，時間單位為1ns，那么我們在代碼編寫的過程中，如果寫成“#200”則表示延時200ns，因為時間精度為1ps，因此我們還可以進一步提高延時精度，如“#200.1”表示延時200.1ns。一般的測試文件(testbench)中，這句話作為第一句話，必寫，當然，時間精度和單位我們可以根據自己的需求更改，如寫成“`timescale 1us/1ns”或者“`timescale 1ns/1ns”等都是可以的。

　　該模塊作為一個仿真模型，就是虛擬了一個串口收發儀器，既然是一個串口收發儀器，則必然有串口發送端口和串口接收端口，因此在模塊名后面定義了三個端口。這與一般的testbench不同，一般的testbench作為仿真時的頂層，不需要端口，因此模塊名后就直接以“;”結束。該模塊的三個端口“uart_rx , uart_tx , send_state”分別為串口接收端口、串口發送端口、串口發送狀態信號。串口收發端口不用說，大家也已經知道了，串口發送狀態信號主要作為指示信號，指示當前仿真模型正在進行數據的發送過程。

　　第9行至第16行為測試文件中信號的定義，以前我們總是理解說這些信號就是待測試模塊的端口，需要在測試文件中定義。那么這里小梅哥更喜歡換一種方式來理解：我們自己的設計，本設計中即特權的串口模塊，是一個功能未知的黑盒子，這個黑盒子有一些信號線引出，有的信號線是作為輸入的，即需要外部輸入一定的信號作為激勵，而有的信號線是作為輸出的，能夠輸出一些數據，當然還有一些信號線是既能夠作為輸入，又能夠作為輸出的，即三態。我們要想知道這個黑盒子的功能，就需要給這個黑盒子的輸入信號線接上信號源，通過給這些輸入信號線一定的激勵，觀察其輸出端口上的響應，從而獲知該黑盒子的功能。那么在這里，對于待測試模塊的輸入端口，我們就接上信號發生器，對于輸出端口，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發生器給輸入端口產生一定的激勵，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主要實現信號發生器的功能，既然是信號發生器那么就一定有數據信號輸出，這個數據信號輸出就可以連接到我們的待測模塊上。待測試模塊的輸出端口，連接到我們的示波器或者邏輯分析儀的探頭上，這樣就實現了一個完整的測試系統，那么我們信號發生器的信號源，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，我們將信號發生器的輸出信號定義為reg型，而示波器的探頭定義為wire型。我們信號發生器的輸出信號線和示波器的探頭線都可以任意命名，實際使用時一一對應連接到待測試模塊的端口上，也可以就直接與待測模塊的各個端口名保持一致。本設計中，小梅哥讓testbench中的信號與待測模塊的端口保持一致。

　　第18行和19行為產生50MHz時鐘的語句。

　　因為本仿真模型實質上就是一個串口收發模塊，因此也需要有收發波特率發生器，這里小梅哥為了省事，直接調用了特權同學的波特率發生器模塊，來作為我仿真模型的波特率發生器。因為該波特率發生器本身也屬于待測試部分，小梅哥之所以敢放心的調用，是因為事先我已經通過仿真，確定了該波特率發生器功能的正確性。第21行至33行為分別例化得到發送波特率發生器和接收波特率發生器的代碼。

　　第54行至71行為發送一個完整字節的數據(自動添加起始位和停止位)的代碼，該部分寫成任務的形式，方便調用。當我們需要發送一個字節的數據時，例如，發送8'hb6，只需要寫“Uart_Send ( 8'hb6 )”即可，該任務便將自動執行，將數據發送出去。在一個字節的數據發送完成后，同時使用系統任務$display來打印當前發送的數據是多少，以方便我們直觀的觀察仿真運行過程。至于$display這個系統任務中各個部分的含義，請讀者自行閱讀verilog的語法書。代碼的42至49行便是調用此任務進行了多次數據的發送。

　　73行至91行為模擬串口接收部分，通過對串口模塊發送出來的數據進行接收，并將接收到的數據用$display函數打印出來。我們只需要閱讀發送數據和接收數據后打印出來的信息，即可判斷通信是否成功，待測模塊功能是否正常。

　　這里需要注意的是，打印出來的接收數據和發送數據是針對仿真模型來說的，send data是仿真模型發送出去的數據，對應待測模塊應該接收到的數據。receive data則是仿真模型接收到的數據，對應待測模塊發送的數據。

　　我們所編寫的測試文件，一定要是可控的，即在所有事務完成后，將仿真停下來，否則，仿真會一直進行下去，導致出現大量冗余波形，影響我們對仿真結果的分析。因此在第51行，當所有測試已經完成后，使用系統任務$stop將仿真停下來。

　　以上對小梅哥寫的串口仿真模型進行了介紹，在實際使用中，只需要將該模型與待測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testbench文件作為頂層，將這兩個部分連接起來，同時產生my_uart_top工作所需的時鐘和復位信號。該文件詳細代碼如下：

　　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

　　該代碼實在簡單，只是實現了一個啟動時的初始化和50MHz時鐘的產生，因此小梅哥就不做任何分析了。