VHDL: Empfangsmodul schlägt zufällig beim Zählen von Bits fehl

Hintergrund

Dies ist ein persönliches Projekt; Es betrifft das Anschließen eines FPGA an einen N64. Die Bytewerte, die das FPGA empfängt, werden dann über UART an meinen Computer gesendet. Funktioniert eigentlich ganz gut! Zu zufälligen Zeiten fällt das Gerät leider aus und wird dann wiederhergestellt. Durch Debuggen habe ich es geschafft, das Problem zu finden, aber ich bin ratlos, wie ich es beheben kann, weil ich mit VHDL ziemlich inkompetent bin.

Ich spiele jetzt seit ein paar Tagen mit dem VHDL und bin möglicherweise nicht in der Lage, das Problem zu lösen.

Das Problem

Ich habe ein Oszilloskop, das das N64-Signal im FPGA misst, und der andere Kanal ist mit dem Ausgang des FPGA verbunden. Ich habe auch digitale Pins, die den Zählerwert aufzeichnen.

Im Wesentlichen sendet der N64 9 Datenbits, einschließlich eines STOP-Bits. Der Zähler zählt die empfangenen Datenbits und wenn ich 9 Bit erreiche, beginnt das FPGA mit der Übertragung über UART.

Hier ist das richtige Verhalten:

Das FPGA ist die blaue Wellenform und die orangefarbene Wellenform ist der Eingang des N64. Für die Dauer des Empfangs "echos" mein FPGA das Signal des Eingangs zu Debugging-Zwecken. Nachdem das FPGA bis 9 gezählt hat, beginnt es mit der Übertragung der Daten über UART. Beachten Sie, dass die digitalen Pins bis 9 zählen und der FPGA-Ausgang sofort nach Beendigung des N64 auf LOW geht.

Hier ist ein Beispiel für einen Fehler:

Beachten Sie, dass der Zähler die Bits 2 und 7 überspringt! Das FPGA erreicht das Ende und wartet auf das nächste Startbit vom N64, aber nichts. Das FPGA läuft also ab und erholt sich.

Dies ist die VHDL für das N64-Empfangsmodul. Es enthält den Zähler: s_bitCount.

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;   
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity N64RX is
     port(
         N64RXD : in STD_LOGIC;                    --Data input
         clk25 : in STD_LOGIC;
         clr : in STD_LOGIC; 
         tdre : in STD_LOGIC;                      --detects when UART is ready
         transmit : out STD_LOGIC;                 --Signal to UART to transmit  
         sel : out STD_LOGIC; 
         echoSig : out STD_LOGIC;
         bitcount : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
         data : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0)   --The significant nibble
         );
end N64RX;

--}} End of automatically maintained section

architecture N64RX of N64RX is 

type state_type is (start, delay2us, sigSample, waitForStop, waitForStart, timeout, count9bits, sendToUART);

signal state: state_type;
signal s_sel, s_echoSig, s_timeoutDetect : STD_LOGIC;
signal s_baudCount : STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0);  --Counting variable for baud rate in delay
signal s_bitCount : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);  --Counting variable for number of bits recieved 
signal s_data : STD_LOGIC_VECTOR(8 downto 0);   --Signal for data

constant delay : STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0) := "0110010";  --Provided 25MHz, 50 cycles is 2us 
constant delayLong : STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0) := "1100100";

begin 

n64RX: process(clk25, N64RXD, clr, tdre)
begin
    if clr = '1' then
        s_timeoutDetect <= '0';
        s_echoSig <= '1';
        s_sel <= '0';
        state <= start;
        s_data <= "000000000";
        transmit <= '0'; 
        s_bitCount <= "0000";
        s_baudCount <= "0000000";  
    elsif (clk25'event and clk25 = '1') then    --on rising edge of clock input
        case state is
            when start =>   
                --s_timeoutDetect <= '0';
                s_sel <= '0';
                transmit <= '0';        --Don't request UART to transfer   
                s_data <= "000000000";
                s_bitCount <= X"0";   
                if N64RXD = '1' then
                    state <= start;
                elsif N64RXD = '0' then     --if Start bit detected
                    state <= delay2us;
                end if;    

            when delay2us =>                 --wait two microseconds to sample
                --s_timeoutDetect <= '0';
                s_sel <= '1';
                s_echoSig <= '0';
                if s_baudCount >= delay then    
                    state <= sigSample;
                else
                    s_baudCount <= s_baudCount + 1;
                    state <= delay2us;
                end if;  

            when sigSample => 
                --s_timeoutDetect <= '1';
                s_echoSig <= N64RXD;
                s_bitCount <= s_bitCount + 1;
                s_baudcount <= "0000000";
                s_data <= s_data(7 downto 0) & N64RXD;      
                state <= waitForStop;   

            when waitForStop => 
                s_echoSig <= N64RXD;
                if N64RXD = '0' then
                    state <= waitForStop;
                elsif N64RXD = '1' then
                    state <= waitForStart;
                end if;   

            when waitForStart => 
                s_echoSig <= '1';
                s_baudCount <= s_baudCount + 1; 
                if N64RXD = '0' then 
                    s_baudCount <= "0000000";
                    state <= delay2us;
                elsif N64RXD = '1' then 
                    if s_baudCount >= delayLong then
                        state <= timeout;
                    elsif s_bitCount >= X"9" then
                        state <= count9bits;
                    else
                        state <= waitForStart;
                    end if;
                end if;     

            when count9bits =>  
                s_sel <= '0';
                if tdre = '0' then
                    state <= count9bits;
                elsif tdre = '1' then
                    state <= sendToUART;
                end if;   

            when sendToUART =>
                transmit <= '1';
                if tdre = '0' then
                    state <= start;
                else
                    state <= sendToUART;
                end if;

            when timeout =>
                --s_timeoutDetect <= '1';
                state <= start;

        end case;   
    end if;
end process n64RX;  
--timeoutDetect <= s_timeoutDetect;
bitcount <= s_bitCount;
echoSig <= s_echoSig;
sel <= s_sel;
data <= s_data(4 downto 1);

end N64RX;

Also, irgendwelche Ideen? Debugging-Tipps? Tipps zur Codierung von endlichen Zustandsautomaten?

In der Zwischenzeit werde ich weiter damit herumspielen (ich werde es irgendwann haben)! Helfen Sie mir Stack Exchange, Sie sind meine einzige Hoffnung!

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Eine weitere Entdeckung bei meinem Debugging ist, dass die Zustände von waitForStart zurück zu waitForStop springen. Ich habe jedem Zustand einen Wert gegeben, wobei waitForStart gleich '5' und waitForStop gleich '4' ist. Siehe das Bild unten: