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串口接收模块的功能：接收上位机通过串口发送过来的数据，进行串并转换之后送给下游模块。
注：串口波特率9600，无奇偶校验位。
一、设计架构
上图是与上位机通信的串口的时序图。我们从图中可以获取到如下关键信息。
1. 串口数据线位宽为1bit，默认状态下为高电平。
2. 每次上游模块发送数据，都是先发送1位的起始位0，然后发送8位的数据，最后是1位的停止位1。
3. 每1位所占的时间，可以通过波特率来计算。计算方法如下：
波特率是指1s内发送或接受了多少比特数据，若波特率为9600 bit/s，则1s可以传输9600bit，那么传输1bit的时间为：1/9600（s）。以mp801开发板为例，时钟频率为50M，那么发送1bit就需要5208个时钟周期。
串口接收模块采用两个计数器的架构，这两个计数器分别表示接收1bit需要的时间和共需要接收多少bit。其结构图如下：
计数器cnt0：对接收1bit数据需要的时间进行计数；接收1bit需要5208个时钟周期。该计数器的计数周期为5208。
计数器cnt1：对接收多少bit的数据进行计数；停止位不参与，起始位加上数据位共9bit。该计数器的计数周期为9。
本工程使用了检测信号下降沿的方法，信号下降沿的检测方法：
检查uart_rx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。就比如前面uart_rx由1变0时，就出现了下降沿，接着一次指令结束，uart_rx由0变1时，就出现了上升沿，边沿检测技术这在FPGA电路设计泛。电路图如下：
对应的信号列表如下图所示：
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，信号的波形图如下：
Tri_ff0是触发器的输出，因此tri_ff0的信号与trigger信号相似，但是相差了一个时钟周期。我们也可以理解为：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。
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。
本模块输入信号uart_rx是异步信号，异步信号都需要经验同步化后，才能够使用。异步信号同步化如下：
在前面讨论边沿检测的波形中，我们把trigger当做理想的同步信号来考虑，也就是trigger满足D触发器的建立和保持时间，在同步系统中实现边沿检测不是问题。但如果trigger不是理想的同步信号，例如外部按键信号，以及本工程的uart_rx信号。这些信号什么时候产生变化，是外部传输指令给FPGA，对于FPGA来说完全是随机的。很有可能出现，信号在时钟上升沿产生变化的情况，从而无法满足触发器的建立时间和保持时间要求，出现亚稳态的情况，从而导致系统崩溃。如下图，我们先将信号用2个触发器进行了寄存，确定了信号的稳定性，然后再进行边沿检测，达成了同步系统中实现边沿检测的需求。
那么边沿检测的代码设计就需要先进行触发器的设计，假设输入的信号trigger不是同步信号，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，在第一个触发器阶段，信号依旧有亚稳态的情况，因此tri_ff0绝对不可以拿来当条件使用，只能使用tri_ff1。接着进行检测边沿，根据前面所说，得出同步信号后再用寄存器寄存，得到tri_ff2。根据tri_ff1和tri_ff2，我们就可以得到边沿检测结果。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，代码如下：
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always @(posedgeclk or negedgerst_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
[size=9.0000pt]
assign neg_edge = tri_ff1==0 && tri_ff2==1;
assign pos_edge = tri_ff1==1 && tri_ff2==0;
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综上所述，如果进来的信号是异步信号，那么就需要先进行同步化，再做检测，即通过打两拍的方式，实现了信号的同步化；再通过打一拍的方式，实现边沿检测电路。反之，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，可以直接做边沿检测。
二、信号的意义
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信号
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串口接收数据线，位宽为1bit，空闲时为高电平，开始接收时，
会变为低电平，持续1/9600（s），然后是数据、停止位等。
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串口接收数据有效指示信号。当其为高电平时，对应的输出rx_data有效，
表示接收到1个字节的数据。注意，1个时钟的高电平表示接收到1个字节数据。
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输入进来的uart_rx信号寄存一拍后的信号。
该信号的目的是为了做时序同步。
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对uart_ff0寄存一拍后的信号。
该信号的目的是为了做时序同步。该信号就是同步化后的，
可以使用的信号。
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对uart_ff1寄存一拍的信号。
该信号的目的，是与uart_ff1配合，检测uart_ff1的下降沿。
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模块处于接收数据状态的指示信号，当其为1时，
表示正在接收数据；为0时，表示空闲状态。
产生逻辑是：当检测到uart_ff1的下降沿时变高，
当接收完整个字节数据时（计数器cnt1数完了）就变低。
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对每输入1bit数据的时间进行计数，接收1bit需要5208个时钟周期。
该计数器的计数周期为5208。
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计数器cnt0计数有效信号。当处于处于接收状态时，该信号有效。
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计数器cnt0的结束条件。接收1bit需要5208个时钟周期，
所以数到5208个就结束。
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对接收多少bit的数据进行计数，停止位不参与，
起始位加上数据位共9bit。该计数器的计数周期为9。
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计数器cnt1的加一条件。接收完1位(end_cnt0)，就有效。
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计数器cnt1的结束条件，共接收9bit数据，
所以数到9个就结束。
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uart_ff1下降沿有效指示信号。
当检测到接收的数据前一时刻uart_ff2为高电平，
当前时刻uart_ff1为低电平时，就有效。
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三、参考代码
下面展出本模块的设计，欢迎进一步交流，如果需要整个项目源代码，欢迎与明德扬联系。
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module uart_rx(
clk ,
rst_n ,
uart_rx ,
rx_vld ,
rx_data
);
[size=9.0000pt]
parameter CNT_BTL = 20'd2604;
parameter CNT_MID = 20'd1302;
parameter CNT_RX = 4'd9;
parameter DATA_W = 8;
[size=9.0000pt]
input clk ;
input rst_n ;
input uart_rx ;
[size=9.0000pt]
wire uart_rx ;
output[DATA_W-1:0] rx_data ;
output rx_vld ;
[size=9.0000pt]
reg [DATA_W-1:0] rx_data ;
reg rx_vld ;
[size=9.0000pt]
reg uart_rx_ff0 ;
reg uart_rx_ff1 ;
reg uart_rx_ff2 ;
reg flag_add_add ;
reg [19:0] cnt0 ;
wire add_cnt0 ;
wire end_cnt0 ;
[size=9.0000pt]
reg [3:0] cnt1 ;
wire add_cnt1 ;
wire end_cnt1 ;
wire add_en ;
[size=9.0000pt]
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
[size=9.0000pt]
assign add_cnt0 = flag_add[size=9.0000pt];
assign end_cnt0 = add_cnt0 && cnt0== CNT_BTL-1;
[size=9.0000pt]
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
[size=9.0000pt]
assign add_cnt1 = end_cnt0;
assign end_cnt1 = add_cnt1 && cnt1== CNT_RX-1;
[size=9.0000pt]
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
uart_rx_ff0 <= 1'b1;
uart_rx_ff1 <= 1'b1;
uart_rx_ff2 <= 1'b1;
end
else begin
uart_rx_ff0 <= uart_rx;
uart_rx_ff1 <= uart_rx_ff0;
uart_rx_ff2 <= uart_rx_ff1;
end
end
assign add_en = uart_rx_ff2&&~uart_rx_ff1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
flag_add <= 1'b0;
end
else if(add_en)begin
flag_add <= 1'b1;
end
else if(end_cnt1)begin
flag_add <= 1'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rx_vld <= 1'b0;
end
else if(end_cnt1)begin
rx_vld <= 1'b1;
end
else begin
rx_vld <= 1'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rx_data <= 8'b0;
end
else if(cnt1!=0&&add_cnt0&&cnt0==CNT_MID-1)begin
rx_data[cnt1-1] <= uart_rx_r2;
end
end
endmodule
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