### 菜鸟初入FPGA之串并转换
#### 一、串并转换的重要性与应用背景
在数字电路的设计领域，特别是在通信技术的应用中，串并转换扮演着至关重要的角色。例如，在UART（通用异步收发传输器）和IIC（Inter-Integrated Circuit）等常见的串行通信协议中，数据的发送往往需要先将并行数据转换成串行数据进行传输，而在接收端则需要将串行数据转换回并行数据进行处理。这种转换不仅能够减少通信线路的数量，简化电路设计，还能提高系统的可靠性和抗干扰能力。
#### 二、并行转串行（Parallel-to-Serial, PtoS）
并转串的设计思想主要是利用一组寄存器来实现。具体来说，就是首先将待发送的并行数据加载到寄存器中，然后通过不断左移或右移操作，将数据逐位地发送出去。这种方式非常适合于需要将并行数据转换为串行数据进行远距离传输的应用场景。
**1. 设计原理**
并转串的核心在于设计一个能够实现左移或右移操作的寄存器组。在这个过程中，还需要考虑如何控制数据的加载以及何时进行移位操作。
**2. Verilog HDL 实现**
下面展示的是一个简单的并转串模块的Verilog HDL代码实现：
```verilog
module parallel_to_serial(
clk, rst_n, parallel_data, // 输入：时钟、复位信号、并行数据
parallel_load, serial_turn, // 输入：并行数据使能信号、串行数据使能信号
serial_data // 输出：串行数据
);
input clk, rst_n;
input [7:0] parallel_data;
input parallel_load, serial_turn;
output reg [7:0] serial_data;
reg [7:0] data;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n)
data <= 8'd0;
else if (parallel_load)
data <= parallel_data;
else if (serial_turn)
data <= {data[6:0], data[7]}; // 左移位
else
data <= data;
end
assign serial_data = data;
endmodule
```
该模块实现了以下功能：
- **初始化**：当复位信号有效时，将寄存器中的数据清零。
- **并行数据加载**：当并行数据使能信号为高时，将并行数据加载到寄存器中。
- **串行数据输出**：当串行数据使能信号为高时，寄存器中的数据进行左移操作，并输出。
**3. 仿真验证**
为了验证并转串模块的正确性，可以通过编写测试模块来进行仿真。示例代码如下：
```verilog
module parallel_to_serial_tb();
reg clk, rst_n;
reg [7:0] parallel_data;
reg parallel_load, serial_turn;
wire [7:0] serial_data;
initial clk = 1;
always #(`clock_period / 2) clk = ~clk;
initial begin
rst_n = 0;
parallel_data = 0;
parallel_load = 0;
serial_turn = 0;
#(`clock_period * 5 + 1);
rst_n = 1;
#(`clock_period + 1);
parallel_data <= 8'b1010_1101;
parallel_load <= 1;
#(`clock_period * 10);
parallel_load <= 0;
serial_turn = 1;
#(`clock_period * 50);
serial_turn = 0;
#(`clock_period * 50);
$stop;
end
parallel_to_serial parallel_to_serial (
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.parallel_data(parallel_data),
.parallel_load(parallel_load),
.serial_data(serial_data),
.serial_turn(serial_turn)
);
endmodule
```
**4. 结果分析**
根据仿真结果，当并行数据使能信号`parallel_load`为高时，寄存器组将并行数据`parallel_data`的值捕获；随后，当串行数据使能信号`serial_turn`为高时，串行数据`serial_data`开始逐位输出，其变化顺序与原始并行数据完全一致。
#### 三、串行转并行（Serial-to-Parallel, StoP）
串转并的设计思想是通过一组寄存器来接收串行数据，并将其转换为并行数据。当接收到一位新的串行数据时，寄存器组进行一次左移或右移操作，将新接收的数据添加到寄存器组的最低位或最高位。当所有数据接收完毕后，通过一个标志位来指示数据已经可以被读取。
**1. 设计原理**
串转并的关键在于如何控制寄存器组的移位操作以及如何确定数据是否接收完毕。
**2. Verilog HDL 实现**
下面是一个简单的串转并模块的Verilog HDL代码实现：
```verilog
module serial_to_parallel(
clk, rst_n, // 输入：时钟、复位信号
parallel_data, // 输出：并行数据
parallel_turn, // 输入：并行数据转换使能信号
parallel_finish, // 输出：并行数据输出标志位
serial_data // 输入：串行数据
);
input clk, rst_n;
input serial_data;
input parallel_turn;
output reg parallel_finish;
output reg [7:0] parallel_data;
reg [7:0] data;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
data <= 8'd0;
parallel_finish <= 0;
end else if (parallel_turn) begin
data <= {data[6:0], serial_data};
if (data[7] == 1'b1) // 检测最高位是否已经接收完毕
parallel_finish <= 1;
end else begin
data <= data;
parallel_finish <= 0;
end
end
assign parallel_data = data;
endmodule
```
该模块实现了以下功能：
- **初始化**：当复位信号有效时，将寄存器中的数据清零，并将并行数据输出标志位置为低。
- **串行数据接收**：当并行数据转换使能信号为高时，串行数据被加载到寄存器组中，并进行左移操作。
- **并行数据输出**：当接收到的所有串行数据都已经加载到寄存器组中后，并行数据输出标志位置为高，表示数据已经可以被读取。
**3. 结论**
通过对并转串与串转并两种转换方式的学习与实践，我们不仅可以更好地理解数字电路设计中的关键技术，还能掌握如何在实际项目中灵活运用这些技术，提高通信系统的设计水平。不论是对于初学者还是有经验的工程师来说，这些基础而又实用的知识都是非常宝贵的。
