实现MCU到FPGA SPI接口有一个好选项：用双缓冲器！

关键词: 双缓冲器，FPGA SPI，MCU，PWM

问：实现稳健的微控制器到 FPGA SPI 接口: 双缓冲区

在介绍双缓冲器之前，我们将简要探讨 Verilog 脉宽调制器 (PWM) 的工作原理。这一点很重要，因为双缓冲区最好被看作是硬件模块 (如 PWM) 的可寻址接口。

PWM 的回顾

PWM 模块的顶层接口在这个 Verilog 代码片段中描述。观察该模块使用了位宽参数，并建立了最小和最大占空比限制。最后，观察PWM模块有一个[B – 1:0]输入矢量来设置占空比。没有显示的是在每个 PWM 占空比开始时读取输入的事实。

module PWM #(parameter 
    B = 12,                             // implies a 24.4 kHz PWM assuming a 100 MHz system clock
    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
);

同步数据呈现

PWM 设计用于在更大的 uC 到 FPGA SPI 系统中工作。回想一下，SPI自然地使用字节宽度的数据元素进行操作。这与使用B定义的数据宽度操作的PWM形成鲜明对比。为了方便，我们假设 PWM 以16位的位宽度(B)实例化。

当系统更新与 PWM 输入相关的寄存器时，会出现一个问题。如果没有适当的注意，PWM 可能会在更新过程中执行读取操作。其结果是驱动器字节被分割成一个旧字节和一个新字节。这可能导致占空比的显著跃升，持续一个 PWM 周期。如果 PWM 用于 LED 指示灯，则可能不会注意到这一点。在更复杂的系统中，故障相当于一个强脉冲，并可能导致系统响铃或变得不稳定，具体取决于错误发生的时间和频率。

解决方案是实现以下三篇文章中提到的双缓冲方案，后面将进行深入讨论。

• 第1 部分 介绍了指导大型系统开发的 Verilog 设计理念。这是介绍寄存器传输电平 (RTL) 设计准则的关键部分，如时钟边界、频闪器的使用和双缓冲区的必要性。
• 第2部分 介绍了 SPI 协议。回想一下，所选协议改编自802.3以太网帧，具有可变有效载荷长度和循环冗余校验 (CRC) 等概念，以提供数据完整性的度量。
• 第3部分 介绍了 uC 到 FPGA 接口的高级视图。那篇文章中最重要的部分是这里重复的框图。

使用一组寄存器来捕获单个字节。当收集到完整的n字节数据时，更新第二个更宽的寄存器。第二个寄存器-双缓冲区-然后用于驱动其他模块，如代表性的 PWM。

双缓冲模块

双缓冲模块的框图如图1所示。在内部，它由四个主要部分组成。最重要的是输出寄存器。在这个例子中，它是16位宽，使其适合驱动16位 PWM。输出寄存器由单个8位寄存器驱动，在本例中它们被标记为 LSB 和 MSB。注意，所有的寄存器更新都是由双缓冲区的控制部分发起的。这是一个同步操作，其中所有元素响应主 100mhz时钟的滴答声。

重要的是要理解，每个双缓冲区模块都是用特定的地址和特定的字节宽度实例化的，如下面的代码清单所示。注意，16位地址、8位数据和写频闪都涉及到加载缓冲区。当16位地址输入与实例化地址匹配时，数据传输就开始了。

module double_buffer #(
    parameter BYTE_WIDTH = 2,
    parameter BASE_ADDRESS = 16'h0200  // Starting address for the MSB
) (
    input wire clk,
    input wire [7:0] data,
    input wire [15:0] address,
    input wire write_strobe,
    output reg [((8 * BYTE_WIDTH) - 1): 0] double_buffer_out,
    output reg new_data_strobe
);

如图1所示，这个 uC 到 FPGA 接口有一个底层的8位传输过程。在这文章中首先介绍的命令帧中也隐含了一个连续写入操作。为了方便起见，这里将命令帧重复为图2。作为一个例子，让我们假设 PWM 和相关的双缓冲区以地址0x0200实例化。命令帧的写地址将被设置为0x0200，负载的前两个字节将保持所需的16位 PWM 值。

当接收并验证命令帧时，MSG 写块将断言地址0x0200，该地址指向 PWM 的双缓冲区。它将把第一个有效载荷字节放到数据总线上。最后，它将为一个时钟周期断言写频闪。这将加载如图1所示的 MSB (大端)。

继续进行连续写入，MSG 写入器向前推进地址，断言下一个数据字节，然后脉冲写入频闪，从而将 LSB 加载到双缓冲区中。这个过程对命令帧中的每个字节继续进行，由帧的字节长度字段控制。

从本质上讲，消息编写器并不了解相关的双缓冲区的长度。它只关心断言地址、数据和写频闪的三步过程。这取决于双缓冲区模块来理解它们何时被寻址，以及何时接收到 BYTE_WIDTH 参数指定的必要字节数。

由于双级缓冲区的基址和字节宽度在实例化时是已知的，因此很容易确定何时接收到所有字节。在这个 PWM 示例中，双缓冲器计数到2，然后发送一个频闪来加载输出寄存器。

技术贴士 :数据可能首先访问最高有效字节 (MSB) 或最低有效字节 (LSB)。描述顺序的术语是“端序” (endian)。如果 MSB 先出现，则系统为大端序。如果 LSB 是第一个，则系统是小端序的。本文描述的双缓冲区和关联帧是大端序。

双缓冲区代码

双缓冲区的 Verilog 代码附在本注释的末尾。代码紧跟图2的框图，理解它可以扩展到n字节的宽度。这可以通过更改 BYTE_WIDTH 参数来实现。

这段代码的关键是 Verilog 生成操作符的使用。回想一下，generate 特性允许迭代地生成硬件。它的运作方式就像一个制造小部件的工厂。除了，在这种情况下，我们正在制作8位寄存器，其程序集的总数等于 BYTE_WIDTH 参数。我们可以在 Vivado 分层设计窗口中看到这一点，如图3所示。这些“制造”的块与它们在生成循环中定义的连续命名方案一起出现。

观察每个生成的9位寄存器都包含一个对应的 local_write_strobe。这是一个重要的设计方面，因为 “control” 部分使用它来加载相关的8位寄存器。

除了寄存器之外，生成循环还制造一个8位矢量，每个8位寄存器的输出都连接到这个矢量上。然后将这些N × 8位的包连接起来并传递到n字节输出寄存器。

代码的最后一部分确定n字节何时被收集。然后它更新输出寄存器并发送一个new_data_strobe。

控制部分有三个基本功能:

1. 当基址与实例化地址匹配时激活模块。
2. 维护一个计数器指向“制造的”8位寄存器。这个计数器对于连续写入是必不可少的。
3. 对相关的8位寄存器进行频闪。
4. 当N个8位寄存器被填满时，对输出缓冲区进行频闪。

技术贴士 :矢量是导线的一维数组。一个例子是“input wire [15:0] address”，它定义了一个16位的名为 address 的矢量。

第4部分结束

最后，虽然这段代码确实很复杂，但 Verilog 生成操作符提供了很大的灵活性。它消除了为每个期望的字节宽度构建独立模块的需要。

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