AG32：MCU和CPLD如何交互？

本文檔介紹了AG32開發(fā)中，MCU與CPLD交互的具體方式以及例子。如需了解AG32更多資料可發(fā)郵件：sales@agm-micro.com

一、MCU和CPLD直接交互

cpld工程創(chuàng)建及編譯的操作流程，參考文檔《AG32下fpga和cpld的使用入門》

在工程中，用戶邏輯部分編寫是從analog_ip.v的接口下開始的。

mcu和cpld之間的交互，可以分為：

1. mcu傳遞信號(hào)給cpld；（如mcu的gpio傳遞高低信號(hào)到cpld）

2. cpld傳遞信號(hào)給mcu；（如：對(duì)mcu產(chǎn)生中斷信號(hào)）

3. mcu讀寫數(shù)據(jù)到cpld；

4. 不建議，cpld做為主設(shè)備對(duì)mcu寫。

也就是說，在mcu和cpld交互中，cpld更像一個(gè)外設(shè)。

其中，前兩種較為簡(jiǎn)單。后兩種要使用AHB總線來操作。

下邊針對(duì)四種情況分別說明：

1. mcu傳遞信號(hào)給cpld；

這種使用較簡(jiǎn)單。步驟如下：

在ve中定義信號(hào)：

GPIO4_1
iocvt_chn:OUTPUT

表示，用mcu的gpio（gpio4_1）來輸入信號(hào)到cpld。

然后，prepare LOGIC工程后，可以看到analog_ip.v接口中的信號(hào)：

input?????????????iocvt_chn_out_data,

input?????????????iocvt_chn_out_en,

這里的iocvt_chn_out_data，就是對(duì)接到mcu的gpio4_1的信號(hào)。

當(dāng)控制mcu的gpio4_1高低切換時(shí)，cpld中的iocvt_chn_out_data，會(huì)對(duì)應(yīng)來變化。

具體樣例，可以參考網(wǎng)盤“l(fā)ogic樣例3.mcu信號(hào)到cpld到pin”的樣例，該樣例中，展示了mcu控制cpld繼續(xù)控制led的過程。

除了gpio信號(hào)輸出到cpld，其他比如pwm輸出信號(hào)等，都可以輸入到cpld。

2. cpld傳遞信號(hào)給mcu；

這種方式和1相近，只不過是反向。

可以在mcu中定義gpio4_2為輸入并使能中斷，則cpld中設(shè)置信號(hào)高低時(shí)，將觸發(fā)?mcu的中斷。

在VE中定義信號(hào)：

GPIO4_2
iocvt_chn:INPUT

表示，用mcu的gpio（gpio4_2）信號(hào)來源于cpld的iocvt_chn。

然后，prepare LOGIC工程后，可以看到analog_ip.v接口中的信號(hào)：

output?????????????iocvt_chn_in_data,

這里的iocvt_chn_in_data，就是對(duì)接到mcu的gpio4_2的信號(hào)。

當(dāng)cpld中控制iocvt_chn_in_data信號(hào)高低時(shí)，mcu中的gpio4_2對(duì)應(yīng)變化。

這里不再舉例。

3. mcu讀寫數(shù)據(jù)到cpld；

在地址設(shè)計(jì)中，cpld的地址區(qū)間是：0x60000000 ~
0x7FFFFFFF

當(dāng)mcu對(duì)這個(gè)區(qū)間內(nèi)的地址訪問時(shí)，相當(dāng)于訪問了cpld的“寄存器”。

mcu是全局尋址，對(duì)這個(gè)空間的訪問和對(duì)ram（0x20000000起）空間的訪問是一樣的方式，在C代碼中，可以這樣寫：

讀cpld：int cpRdReg = *((int *)0x60000000);

寫cpld：*((int *)0x60000004) = cpWtReg;

Mcu端讀寫cpld較為簡(jiǎn)單，直接通過上述語句就可以了。

當(dāng)mcu讀寫動(dòng)作發(fā)生時(shí)，cpld端是如何反應(yīng)的？

當(dāng)上述mcu讀寫動(dòng)作發(fā)生時(shí)，AHB總線會(huì)把動(dòng)作拆解為讀寫信號(hào)，傳遞到analog_ip.v的接口，用戶cpld程序需要響應(yīng)該信號(hào)。

以下，以寫動(dòng)作 *((int *)0x60000004) = cpWtReg 為例，描述cpld端會(huì)發(fā)生的事情。

回顧下analog_ip.v中的接口部分：

其中slave_ahb_開頭的一組信號(hào)，是cpld作為主端時(shí)用的，暫時(shí)不用理會(huì)。

Mem_ahb_開頭的一組信號(hào)，是cpld作為從端使用的。

當(dāng)mcu有讀寫操作時(shí)，mem_ahb_這組信號(hào)將發(fā)生變化。

這部分是遵循標(biāo)準(zhǔn)的AHB總線協(xié)議的。如果對(duì)AHB總線印象不深，請(qǐng)自行百度。

可參考的講解：

https://blog.csdn.net/weixin_46022434/article/details/104987905

幾個(gè)信號(hào)的概述（更詳細(xì)的講解請(qǐng)自行百度）：

Ahb_htrans: 當(dāng)前傳輸類型（00: IDLE、01: BUSY、10: NONSEQ、11: SEQ）

Ahb_ready：mcu讀時(shí)要mcu要準(zhǔn)備好cpld才會(huì)寫

Ahb_hwrite: 要讀還是要寫（1為寫，0為讀）

Ahb_haddr[32]: 要操作的地址

Ahb_hsize：transfer的大小，以字節(jié)為單位

Ahb_hburst：批量傳輸

Ahb_hwdata[32]：寫的數(shù)據(jù)，32位

Ahb_hreadyout：輸出信號(hào)，mcu寫時(shí)cpld是否準(zhǔn)備好

Ahb_hresp：輸出信號(hào)，響應(yīng)信號(hào)（OK、retry、error、split）

Ahb_hrdata[32]：讀的數(shù)據(jù)，32位

根據(jù)AHB時(shí)序，在一次傳輸中，cpld（slave端）會(huì)先拿到addr地址，讀或?qū)懙臉?biāo)記，然后交互ready信號(hào)后，開始數(shù)據(jù)傳輸。

大致如下圖（無等待類型的圖）：

比如，mcu要讀0x60000004的寄存器：

mcu端直接C語言這樣調(diào)用：int cpRdReg = *((int
*)0x60000004);

cpld端，可以根據(jù)以上信號(hào)做如下處理：

----------------------------------------------

//mcu的讀操作響應(yīng)

//mcu端用C語言：int value = *((int *)0x60000004);

reg [31:0] hrdata_reg; ?????? //定義32位的hrdata_reg

always @(posedge sys_clock) begin??????? //clk上升沿觸發(fā)

if (mem_ahb_htrans ==
2'b10 &&? ???????? //NONSEQ狀態(tài)，第一次傳輸

? mem_ahb_hready && ??????????????? ????????? //master已ready，可以給數(shù)據(jù)線寫入了

? !mem_ahb_hwrite &&??????? ???????? //讀（0 讀，1 寫）

? mem_ahb_haddr[23:0] == 'h04) ??????? //讀地址為0x60000004（cpld用相對(duì)偏移）

begin

hrdata_reg <=
hwdata_reg;????????????? //把另一準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)給到hrdata_reg

end

end

assign mem_ahb_hrdata = hrdata_reg;//綁定hrdata_reg到讀的數(shù)據(jù)線上

-----------------------------------------------

以上代碼，加入到analog_ip.v的module下，就可以完成cpld對(duì)mcu讀動(dòng)作的響應(yīng)。

比如，mcu要寫0x60000000的寄存器：

mcu端直接C語言這樣調(diào)用：*((int *)0x60000000)
= value;

cpld端，可以根據(jù)以上信號(hào)做如下處理：

----------------------------------------------

//mcu的寫操作響應(yīng)

//mcu端用C語言：*((int *)0x60000000) = value;

reg [31:0] hwdata_reg;?????? //定義32位的hwdata_reg

always @(posedge sys_clock) begin??????? //clk上升沿觸發(fā)

if (mem_ahb_htrans ==
2'b00 &&? ?????? //IDLE狀態(tài)

? mem_ahb_hreadyout && ????????? ???????? //cpld已ready狀態(tài)，ahb上數(shù)據(jù)可以寫過來

? mem_ahb_hwrite &&??????? ????????? //寫（0 讀，1 寫）

? mem_ahb_haddr[23:0] == 'h00) ??????? //寫地址為0x60000000（cpld用相對(duì)偏移）

begin

hwdata_reg <=
mem_ahb_hwdata;???????? //把收到的數(shù)據(jù)給到hwdata_reg

end

end

//這個(gè)過程，是把mcu寫進(jìn)來的數(shù)據(jù)收到hwdata_reg中

-----------------------------------------------

這部分的實(shí)例代碼，請(qǐng)參考網(wǎng)盤上cpld樣例工程《5.mcu讀寫cpld寄存器》。

注意：這里展示的，僅僅是基于AHB總線上的數(shù)據(jù)交互。

在實(shí)際應(yīng)用中，比如要實(shí)現(xiàn)一個(gè)串口之類的，往往是慢速設(shè)備，這些是要掛載到apb上的。慢速設(shè)備要經(jīng)過ahb到apb的bridge，才能最終使用。請(qǐng)繼續(xù)往下看。

二、mcu通過ahb轉(zhuǎn)apb后的數(shù)據(jù)交互

上節(jié)講述了mcu和cpld之間交互數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方式。

但數(shù)據(jù)是在ahb層面的響應(yīng)，慢速設(shè)備不能直接使用。

慢速設(shè)備需要ahb轉(zhuǎn)為apb后，使用apb的信號(hào)來交互。這種情況，轉(zhuǎn)變?yōu)閙cu和apb之間的交互。

mcu和apb之間的交互，相比mcu和aph之間的交互，多了一層ahb到apb的轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換是借助于ahb2apb.v模塊來實(shí)現(xiàn)的（在example/analog下找該.v文件）。

該模塊：輸入是ahb的一組信號(hào)，輸出是apb的一組信號(hào)。使用如下圖：

如果實(shí)現(xiàn)mcu和apb的交互，則需要操作的是轉(zhuǎn)換后的這組apb信號(hào)。

關(guān)于apb總線的使用，更多信息請(qǐng)自行百度。

這里只是簡(jiǎn)述下apb信號(hào)列表（與ahb略有不同）：

apb_psel：片選

apb_penable：表示傳輸進(jìn)入第二周期（準(zhǔn)備好了讀/寫）

apb_pwrite：傳輸方向（1-寫；0-讀）

apb_paddr[32]：地址總線，要操作的地址

apb_pwdata[32]：寫的數(shù)據(jù)，32位

apb_prdata[32]：讀的數(shù)據(jù)，32位

以下展示在apb下如何實(shí)現(xiàn)跟mcu的交互，仍以ahb的兩個(gè)寄存器為例。

1. 首先需要增加ahb轉(zhuǎn)apb的信號(hào)關(guān)聯(lián)；

如上圖。

Ahb2apb模塊會(huì)把a(bǔ)hb信號(hào)轉(zhuǎn)換為apb信號(hào)。接下來操作apb信號(hào)即可。

2. 在轉(zhuǎn)換后的apb信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)寫和讀的操作。

mcu讀操作時(shí)：

比如，mcu要讀0x60000004的寄存器：

mcu端直接C語言這樣調(diào)用：int cpRdReg = *((int
*)0x60000004);

cpld端，可以根據(jù)以上信號(hào)做如下處理：

----------------------------------------------

//mcu的讀操作響應(yīng)

//mcu端用C語言：int value = *((int *)0x60000004);

reg [31:0] ardata_reg;?????? //定義32位的hrdata_reg

always @(posedge apb_clock) begin????? //clk上升沿觸發(fā)

if (!apb_pwrite
&&??????? ???????????????????? //讀 （0 讀，1 寫）

apb_penable
&&???????????????????????????????? //是否準(zhǔn)備好

apb_paddr[11:0]
== ‘h04)??? //讀地址為0x60000004（cpld內(nèi)部用相對(duì)偏移）

begin

ardata_reg <=
awdata_reg;????????????? //把另一準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)給到hrdata_reg

end

end

assign apb_prdata = ardata_reg;//綁定hrdata_reg到讀的數(shù)據(jù)線上

-----------------------------------------------

mcu寫操作時(shí)：

比如，mcu要寫0x60000000的寄存器：

mcu端直接C語言這樣調(diào)用：*((int *)0x60000000)
= value;

cpld端，可以根據(jù)以上信號(hào)做如下處理：

----------------------------------------------

//mcu的寫操作響應(yīng)

//mcu端用C語言：*((int *)0x60000000) = value;

reg [31:0] awdata_reg;?????? //定義32位的hwdata_reg

always @(posedge apb_clock) begin????? //clk上升沿觸發(fā)

if (apb_pwrite
&&??????? ????????????????????? //寫 （0 讀，1 寫）

apb_penable
&&???????????????????????????????? //是否準(zhǔn)備好

apb_paddr[11:0]
== ‘h00)? //寫地址為0x60000000（cpld內(nèi)部用相對(duì)偏移）

begin

awdata_reg <=
apb_pwdata;?????????? //把收到的數(shù)據(jù)給到hwdata_reg

end

end

//這個(gè)過程，是把mcu寫進(jìn)來的數(shù)據(jù)收到hwdata_reg中

-----------------------------------------------

這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)后，其實(shí)是個(gè)簡(jiǎn)單的“空外設(shè)”?？梢杂盟鰹閷?shí)現(xiàn)復(fù)雜功能外設(shè)的基礎(chǔ)。

這部分的實(shí)例代碼，請(qǐng)參考網(wǎng)盤上cpld樣例工程《5.mcu讀寫cpld寄存器》。

樣例展示到這里，mcu和cpld的交互上：交互信號(hào)、跟ahb交互數(shù)據(jù)、跟apb交互數(shù)據(jù)，基本的交互通路已經(jīng)建立。

接下來，用戶根據(jù)自己的需求，在cpld中交互到數(shù)據(jù)后，編寫自己需要的功能即可。

三、DMA在CPLD中的使用

cpld中實(shí)現(xiàn)DMA的邏輯：

1. MCU為master，cpld為slave，mcu對(duì)cpld的交互方式為存取寄存器的方式；

2. mcu中配置好DMA（讀取cpld中準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)）；

3. cpld中準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，觸發(fā)dma信號(hào)，dma自動(dòng)搬運(yùn)到mcu指定的ram；

4. 搬運(yùn)一次后，dma給cpld一個(gè)clear信號(hào)，完成一次dma搬運(yùn)；

5. 等到cpld中再次準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，將再次觸發(fā)dma信號(hào)，重復(fù)3和4；

對(duì)于cpld來說，mcu來讀取數(shù)據(jù)和dma來讀取數(shù)據(jù)，是一致的。

dma來讀取時(shí)，只是每次讀完后會(huì)多給cpld一個(gè)clear信號(hào)。

更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參考網(wǎng)盤上《7.cpld中配合實(shí)現(xiàn)mcu的dma讀取》部分的樣例。

在這個(gè)樣例中，展示了兩部分代碼：

1. mcu中，配置dma讀取；為了測(cè)試，mcu會(huì)在另一地址給cpld寫數(shù)據(jù)；

2. cpld中，會(huì)對(duì)mcu寫進(jìn)來的數(shù)據(jù)緩存，緩存后觸發(fā)dma的信號(hào)，讓dma來讀取數(shù)據(jù)。而dma從cpld里讀取數(shù)據(jù)后會(huì)給cpld一個(gè)clear信號(hào)，標(biāo)志一次dma交互完成。