VHDL: el módulo de recepción falla aleatoriamente al contar bits

Fondo

Este es un proyecto personal; se trata de conectar un FPGA a un N64, los valores de byte que recibe el FPGA se envían a través de UART a mi computadora. ¡En realidad funciona bastante bien! Desafortunadamente, en momentos aleatorios, el dispositivo fallará y luego se recuperará. A través de la depuración, logré encontrar el problema, sin embargo, no sé cómo solucionarlo porque soy bastante incompetente con VHDL.

He estado jugando con el VHDL durante un par de días y es posible que sea incapaz de resolver esto.

El problema

Tengo un osciloscopio que mide la señal N64 en la FPGA y el otro canal se conecta a la salida de la FPGA. También tengo pines digitales que registran el valor del contador.

Esencialmente, el N64 envía 9 bits de datos, incluido un bit de PARADA. El contador cuenta los bits de datos recibidos y cuando llego a 9 bits, la FPGA comienza a transmitir vía UART.

Aquí está el comportamiento correcto:

El FPGA es la forma de onda azul y la forma de onda naranja es la entrada del N64. Mientras dure la recepción, mi FPGA "hace eco" de la señal de la entrada con fines de depuración. Después de que el FPGA cuenta hasta 9, comienza a transmitir los datos a través de UART. Tenga en cuenta que los pines digitales cuentan hasta 9 y la salida de la FPGA pasa a nivel BAJO inmediatamente después de que finaliza el N64.

Aquí hay un ejemplo de una falla:

¡Observe que el contador salta los bits 2 y 7! El FPGA llega al final, esperando el siguiente bit de inicio del N64 pero nada. Entonces el FPGA expira y se recupera.

Este es el VHDL para el módulo de recepción N64. Contiene el contador: 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;

Entonces, ¿alguna idea? ¿Consejos de depuración? ¿Consejos para codificar máquinas de estados finitos?

Mientras tanto, seguiré jugando con él (¡eventualmente lo tendré)! ¡Ayúdame con Stack Exchange, eres mi única esperanza!

Editar

Otro descubrimiento en mi depuración, los estados saltarán de waitForStart a waitForStop. Le di a cada estado un valor con waitForStart igual a '5' y waitForStop igual a '4'. Vea la imagen a continuación: