實現穩健的微控制器到FPGA SPI接口: 雙緩沖區！

問：實現穩健的微控制器到 FPGA SPI 接口: 雙緩沖區

在介紹雙緩沖器之前，我們將簡要探討Verilog 脈寬調制器 (PWM) 的工作原理。這一點很重要，因為雙緩沖區最好被看作是硬件模塊 (如 PWM) 的可尋址接口。

PWM 的回顧

PWM 模塊的頂層接口在這個 Verilog 代碼片段中描述。觀察該模塊使用了位寬參數，并建立了最小和最大占空比限制。最后，觀察PWM模塊有一個[B - 1:0]輸入矢量來設置占空比。沒有顯示的是在每個 PWM 占空比開始時讀取輸入的事實。

module PWM #(parameter

B = 12,

D_MIN_PERCENT = 0,

D_MAX_PERCENT = 95

)

(

input wire clk,

input wire enable,

input wire [B -1:0] d_in,

output reg PWM,

output reg [B -1:0] cnt

);

“

同步數據呈現

PWM 設計用于在更大的 uC 到 FPGA SPI 系統中工作?；叵胍幌?，SPI自然地使用字節寬度的數據元素進行操作。這與使用B定義的數據寬度操作的PWM形成鮮明對比。為了方便，我們假設 PWM 以16位的位寬度(B)實例化。

當系統更新與 PWM 輸入相關的寄存器時，會出現一個問題。如果沒有適當的注意，PWM 可能會在更新過程中執行讀取操作。其結果是驅動器字節被分割成一個舊字節和一個新字節。這可能導致占空比的顯著躍升，持續一個 PWM 周期。如果 PWM 用于LED 指示燈，則可能不會注意到這一點。在更復雜的系統中，故障相當于一個強脈沖，并可能導致系統響鈴或變得不穩定，具體取決于錯誤發生的時間和頻率。

解決方案是實現以下三篇文章中提到的雙緩沖方案，后面將進行深入討論。

第1 部分介紹了指導大型系統開發的 Verilog 設計理念。這是介紹寄存器傳輸電平 (RTL) 設計準則的關鍵部分，如時鐘邊界、頻閃器的使用和雙緩沖區的必要性。

第2部分介紹了 SPI 協議?；叵胍幌?，所選協議改編自802.3以太網幀，具有可變有效載荷長度和循環冗余校驗 (CRC) 等概念，以提供數據完整性的度量。

第3部分介紹了 uC 到 FPGA 接口的高級視圖。那篇文章中最重要的部分是這里重復的框圖。

使用一組寄存器來捕獲單個字節。當收集到完整的n字節數據時，更新第二個更寬的寄存器。第二個寄存器-雙緩沖區-然后用于驅動其他模塊，如代表性的 PWM。

雙緩沖模塊

雙緩沖模塊的框圖如圖1所示。在內部，它由四個主要部分組成。最重要的是輸出寄存器。在這個例子中，它是16位寬，使其適合驅動16位 PWM。輸出寄存器由單個8位寄存器驅動，在本例中它們被標記為 LSB 和 MSB。注意，所有的寄存器更新都是由雙緩沖區的控制部分發起的。這是一個同步操作，其中所有元素響應主 100mhz時鐘的滴答聲。

圖1:雙緩沖區的框圖，顯示了單個8位緩沖區與輸出緩沖區之間的關系。

重要的是要理解，每個雙緩沖區模塊都是用特定的地址和特定的字節寬度實例化的，如下面的代碼清單所示。注意，16位地址、8位數據和寫頻閃都涉及到加載緩沖區。當16位地址輸入與實例化地址匹配時，數據傳輸就開始了。

module

double_buffer #(

parameterBYTE_WIDTH = 2,

parameterBASE_ADDRESS = 16'h0200

) (

input wire clk,

input wire [7:0]data,

input wire [15:0]address,

input wirewrite_strobe,

output reg [((8 *BYTE_WIDTH) - 1): 0] double_buffer_out,

output regnew_data_strobe

);

如圖1所示，這個 uC 到 FPGA 接口有一個底層的8位傳輸過程。在這文章中首先介紹的命令幀中也隱含了一個連續寫入操作。為了方便起見，這里將命令幀重復為圖2。作為一個例子，讓我們假設 PWM 和相關的雙緩沖區以地址0x0200實例化。命令幀的寫地址將被設置為0x0200，負載的前兩個字節將保持所需的16位 PWM 值。

圖2:構成uC到FPGA SPI協議基礎的命令和響應幀。

當接收并驗證命令幀時，MSG 寫塊將斷言地址0x0200，該地址指向 PWM 的雙緩沖區。它將把第一個有效載荷字節放到數據總線上。最后，它將為一個時鐘周期斷言寫頻閃。這將加載如圖1所示的 MSB (大端)。

繼續進行連續寫入，MSG 寫入器向前推進地址，斷言下一個數據字節，然后脈沖寫入頻閃，從而將 LSB 加載到雙緩沖區中。這個過程對命令幀中的每個字節繼續進行，由幀的字節長度字段控制。

從本質上講，消息編寫器并不了解相關的雙緩沖區的長度。它只關心斷言地址、數據和寫頻閃的三步過程。這取決于雙緩沖區模塊來理解它們何時被尋址，以及何時接收到 BYTE_WIDTH 參數指定的必要字節數。

由于雙級緩沖區的基址和字節寬度在實例化時是已知的，因此很容易確定何時接收到所有字節。在這個 PWM 示例中，雙緩沖器計數到2，然后發送一個頻閃來加載輸出寄存器。

技術貼士: 數據可能首先訪問最高有效字節 (MSB) 或最低有效字節 (LSB)。描述順序的術語是“端序” (endian)。如果 MSB 先出現，則系統為大端序。如果 LSB 是第一個，則系統是小端序的。本文描述的雙緩沖區和關聯幀是大端序。

雙緩沖區代碼

雙緩沖區的 Verilog 代碼附在本注釋的末尾。代碼緊跟圖2的框圖，理解它可以擴展到n字節的寬度。這可以通過更改 BYTE_WIDTH 參數來實現。

這段代碼的關鍵是 Verilog 生成操作符的使用?；叵胍幌?，generate特性允許迭代地生成硬件。它的運作方式就像一個制造小部件的工廠。

除了，在這種情況下，我們正在制作8位寄存器，其程序集的總數等于 BYTE_WIDTH 參數。我們可以在 Vivado 分層設計窗口中看到這一點，如圖3所示。這些“制造”的塊與它們在生成循環中定義的連續命名方案一起出現。



圖3:在雙緩沖區實例化中可以看到生成的字節寬度寄存器。

觀察每個生成的9位寄存器都包含一個對應的 local_write_strobe。這是一個重要的設計方面，因為 “control”部分使用它來加載相關的8位寄存器。

除了寄存器之外，生成循環還制造一個8位矢量，每個8位寄存器的輸出都連接到這個矢量上。然后將這些N × 8位的包連接起來并傳遞到n字節輸出寄存器。

代碼的最后一部分確定n字節何時被收集。然后它更新輸出寄存器并發送一個new_data_strobe。

控制部分有三個基本功能:

當基址與實例化地址匹配時激活模塊。

維護一個計數器指向“制造的”8位寄存器。這個計數器對于連續寫入是必不可少的。

對相關的8位寄存器進行頻閃。

當N個8位寄存器被填滿時，對輸出緩沖區進行頻閃。

技術貼士:矢量是導線的一維數組。一個例子是“input wire [15:0] address”，它定義了一個16位的名為 address 的矢量。

結語

最后，雖然這段代碼確實很復雜，但 Verilog 生成操作符提供了很大的靈活性。它消除了為每個期望的字節寬度構建獨立模塊的需要。