對C語言編程者的Verilog開發(fā)指南實例
加入技術(shù)交流群
在不遠的將來，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師將能夠根據(jù)哪個更有利于解決設(shè)計問題來自由選擇硬件和軟件方案。但直到現(xiàn)在，對于那些想學習硬件設(shè)計的軟件工程師來說不少障礙仍然很難逾越。由于硬件描述語言和編程語言非常相似，因此最終這些障礙會消失。另外，市場上已有好幾種低成本的演示板，上面包含現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、微處理器以及相應工具，軟件開發(fā)人員可以借此來學習硬件設(shè)計。
本文舉例說明了一個使用FPGA的新設(shè)計流程，我們從中可以知道如何用軟件實現(xiàn)PWM，然后如何將該設(shè)計轉(zhuǎn)換成一個可以在FPGA中運行的邏輯塊，并能利用存儲器映射I/O接口通過軟件完成對該邏輯塊的控制。
軟硬件劃分
現(xiàn)在的情況與以前有所不同，軟件工程師能夠方便地參與到硬件設(shè)計中。不管是硬件模塊還是軟件模塊現(xiàn)在都可以用編程語言進行設(shè)計。眾所周知，C語言是嵌入式軟件設(shè)計的通用語言。在硬件設(shè)計方面，Verilog則是流行的選擇(用VHDL的人也很多)。Verilog的語法和結(jié)構(gòu)與C編程語言非常相似，從本文的例子中也可以看到這一點。
同時，硬件的升級和修改也變得越來越方便。以前可以通過下載新的可執(zhí)行映像文件升級軟件，但對硬件卻行不通?，F(xiàn)在情況不同了。就像軟件開發(fā)人員能夠快速編輯、重新編譯、然后將新代碼下載到存儲器那樣，使用可編程邏輯器件的硬件設(shè)計者也能做類似的事情?？删幊踢壿嫺淖兞饲度胧较到y(tǒng)的設(shè)計方法，設(shè)計者可以像修改軟件那樣方便地修改硬件。換句話說，在設(shè)計和調(diào)試階段，設(shè)計者能夠靈活選擇軟件方式或硬件方式來作為完成任務的最佳方式。
設(shè)計者無需太多的硬件知識就可以利用FPGA供應商提供的工具輕松地開發(fā)出可編程邏輯嵌入式系統(tǒng)。例如，Altera公司的SOPC Builder能幫助系統(tǒng)設(shè)計師從已有的庫中選擇和配置外圍電路，并增加用來創(chuàng)建和連接外圍電路的用戶邏輯。加上一些可編程邏輯和硬件知識，軟件工程師就能夠充分利用硬件的優(yōu)勢改進他們的系統(tǒng)。
PWM軟件
PWM控制器會產(chǎn)生一連串脈沖。通常需要規(guī)定脈沖的周期和寬度。占空比被定義為脈沖寬度與周期的比值。PWM有著廣泛的應用，大多數(shù)情況下用于控制模擬電路。因為數(shù)字信號連續(xù)變化的速率相對較快(當然取決于信號周期)，因此最終會形成一個用來控制模擬設(shè)備的平均電壓值。當PWM脈沖流應用于馬達時，馬達的轉(zhuǎn)速就能正比于占空比(從0%到100%)。如果占空比增加，馬達轉(zhuǎn)速就會提高，反之，如果占空比減小，馬達的轉(zhuǎn)速隨之也會降低。
用軟件編寫這樣一個PWM控制器是相對比較容易的任務，但它有助于我們簡明扼要地描述如何用Verilog設(shè)計硬件。清單1給出了PWM的C代碼。
清單1：完全用軟件實現(xiàn)的位脈沖PWM控制器。
void
pwmTask(uint32_t pulse_width, uint32_t period)
{
uint32_t time_on=pulse_width;
uint32_t time_off=period-pulse_width;
while (1)
{
pwm_output=1;
sleep(time_on);
pwm_output=0;
sleep(time_off);
}
}
根據(jù)脈寬(pulse_width)和周期(period)參數(shù)值，計算出輸出為高電平和低電平的時間。接下來將輸出引腳置為高電平，并等待time_on設(shè)定的時間值之后，將輸出變?yōu)榈碗娖剑⒌却齮ime_off參數(shù)設(shè)定的時間值。下個周期再重復這樣的過程，并無限循環(huán)下去。
Verilog模塊
清單2給出了一個簡單的Verilog模塊，實現(xiàn)帶異步復位功能的8位寬寄存器。寄存器的輸入“in”在時鐘的上升沿被賦值到輸出“out”，直到clr_n復位信號的下降沿到來(此時輸出將被賦值為0)。
清單2：實現(xiàn)帶異步復位功能8位寬寄存器的Verilog編寫模塊。
module simple_register(in, out, clr_n, clk, a);
//端口聲明
input
input
input [7:0]
input
output [7:0]
clr_n;
clk;
in;
a;
out;
//信號聲明
reg [7:0]
wire
out;
a;
//實現(xiàn)帶異步清除的寄存器
always @(posedge clk or negedge clr_n)
begin
if (clr_n==0) // could also be written if (!clr_n)
out=0;
else
out=in;
end
//連續(xù)賦值
assign a=!out[0];
endmodule
粗略地看Verilog與C語言有許多相似之處。分號用于結(jié)束每個語句，注釋符也是相同的(/* ... */和// 都是熟悉的)，運算符“＝＝”也用來測試相等性。Verilog的if..then..else語法與C語言的也非常相似，只是Verilog用關(guān)鍵字begin和end代替了C的大括號。事實上，關(guān)鍵字begin和end對于單語句塊來說是可有可無的，就與C中的大括號用法一樣。Verilog和C都對大小寫敏感。
當然，硬件和軟件的一個重要區(qū)別是它們的“運行”方式。硬件設(shè)計中用到的許多單元都是并行工作的。一旦設(shè)備電源開啟，硬件的每個單元就會一直處于運行狀態(tài)。雖然根據(jù)具體的控制邏輯和數(shù)據(jù)輸入，設(shè)備的一些單元可能不會改變它們的輸出信號，但它們還是一直在“運行”中。
相反，在同一時刻整個軟件設(shè)計中只有一小部分(即使是多軟件任務也只有一個任務)在執(zhí)行。如果只有一個處理器，同一時間點只能有一條指令在執(zhí)行。軟件的其它部分可以被認為處于休眠狀態(tài)，這與硬件有很大的不同。變量可能以一個有效值而存在，但大多數(shù)時間里它們都不在使用狀態(tài)。
軟硬件的不同行為會直接導致硬件和軟件代碼編程方式的不同。軟件是串行執(zhí)行的，每一行代碼的執(zhí)行都要等到前一行代碼執(zhí)行完畢后才能進行(中斷的非線性或操作系統(tǒng)的命令除外)。
//-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
一個Verilog模塊的開頭是關(guān)鍵字module，緊跟其后的是模塊名稱和端口列表，端口列表列出了該模塊用到的所有輸入輸出名稱。接下來是端口聲明部分。注意：所有的輸入輸出既出現(xiàn)在模塊第一行的端口列表中，也會出現(xiàn)在端口聲明(declaration)部分中。
在Verilog中有二種類型的內(nèi)部信號用得比較多，它們是reg和wire。它們具有不同的功能。所有端口都有一個名稱相同且聲明為wire的信號。因此連線line被聲明為wire不是必要的。reg會保持上次的賦值，因此不需要每次都進行驅(qū)動。wire型信號用于異步邏輯，有時也用來連接信號。因為reg可以保持上次的值，因此輸入不能被聲明為reg類型。在Verilog模塊中可以在任何時候異步地將輸入改變?yōu)槿魏问录?。reg和wire的主要區(qū)別是，reg類型的信號只能在過程塊(后面會談到)中賦值，而wire類型的信號只能在過程塊外賦值。這兩種信號類型都可以出現(xiàn)在過程塊內(nèi)部和外部的賦值運算符右邊。
使用關(guān)鍵字reg并不一定意味著編譯器會創(chuàng)建一個寄存器，理解這一點是非常重要的。清單2的代碼中有一個reg類型8位寬的內(nèi)部信號out。該模塊使用寄存器源于always模塊(過程塊的一種)的編程方式。值得注意的是，信號a是一個wire類型，因此只能在連續(xù)賦值(continuous assignment)語句中賦值，而reg類型的out信號只能在always塊中賦值。
always塊是過程塊的一種，僅在某種變化發(fā)生時用于更新信號。always語句圓括號里的表達式組被稱為敏感列表，格式是：(表達式or表達式…)
只要敏感列表中的任何一個表達式值為真，always塊中的代碼就會被執(zhí)行。Verilog中用于上升沿和下降沿的關(guān)鍵字分別是posedge和negedge。這二個關(guān)鍵字經(jīng)常被用于敏感列表。在本例中，如果clk信號的上升沿或clr_n的下降沿信號發(fā)生時，always塊內(nèi)部的語句就會被執(zhí)行。
為了用好寄存器，輸出必須在時鐘的上升沿得到更新(下降沿也可以，但上升沿更常見些)。增加negedge clr_n會使寄存器在clr_n信號的下降沿復位。但并不是所有的敏感列表都會包含關(guān)鍵字posedge或negedge，因此在實際硬件中并不總是存在真實的寄存器。
always塊內(nèi)的第一條語句判斷clr_n信號的上升沿有沒有發(fā)生。如果有，下一行代碼把out置為0。這些代碼行實現(xiàn)了寄存器的異步復位功能。如果條件語句是：if(negedge clr_n and clk==1)，那么該語句實現(xiàn)的就是基于時鐘的異步復位。
讀者可能已經(jīng)注意到，always塊中的賦值運算符與以關(guān)鍵字assign開頭的連續(xù)賦值語句中用到的運算符不一樣。=運算符用于非阻塞性(nonblocking)賦值，而＝運算符用于阻塞性(blocking)賦值。
在一組阻塞性賦值語句中，在下一個阻塞性賦值語句執(zhí)行前需要計算并賦值第一個賦值語句。這一過程就象C語言中語句的順序執(zhí)行。而非阻塞語句在執(zhí)行時，所有賦值語句的右邊被同時計算和賦值。連續(xù)賦值語句必須使用阻塞賦值語句(否則編譯器會報錯)。
為了減少代碼出錯的概率，建議在順序邏輯(例如希望以寄存器方式實現(xiàn)的邏輯)always塊中的所有賦值語句使用非阻塞性賦值語句。大多數(shù)always塊應該使用非阻塞性賦值語句。如果always塊都是組合邏輯，那么就需要使用阻塞性賦值語句。
//-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
PWM硬件
編寫存儲器映射硬件模塊的首要任務是以軟件方式?jīng)Q定寄存器映射圖。在PWM案例中，一般設(shè)計師希望能用軟件設(shè)置周期和脈寬。在硬件設(shè)計中用計數(shù)器統(tǒng)計系統(tǒng)時鐘周期數(shù)是非常容易的。因此要用到兩個寄存器，分別命名為pulse_width和period，并且都在時鐘周期內(nèi)度量。表1給出了PWM的寄存器映射圖。
為了確定輸出信號，硬件可簡單地通過將period和pulse_width寄存器內(nèi)容作為運行中的計數(shù)器保持的輸出。
接下來要為PWM選擇端口，大多數(shù)端口可以依據(jù)總線架構(gòu)而定。表2提供了通用存儲器映射PWM的信號描述概要。通常為低電平有效的信號命名做法是在信號名上加“_n”，對于控制信號更是如此。表2中的write_n和clr_n信號就是低電平有效的信號(下降沿觸發(fā))。
至此我們已經(jīng)定義好了硬件模塊的接口，接下來就可以開始編寫Verilog代碼了。清單3給出了一個實現(xiàn)例子。
清單3：用Verilog實現(xiàn)的PWM硬件。
module pwm (clk, write_data, cs, write_n, addr, clr_n, read_data, pwm_out);
input
input [31:0]
input
input
input
input
output [31:0]
output
clk;
write_data;
cs;
write_n;
addr;
clr_n;
read_data;
pwm_out;
reg [31:0]
reg [31:0]
reg [31:0]
reg
reg [31:0]
wire
period;
pulse_width;
counter;
off;
read_data;
period_en, pulse_width_en; //寫使能
// 定義period和pulse_width寄存器的內(nèi)容
always @(posedge clk or negedge clr_n)
begin
if (clr_n==0)
begin
period=32'h 00000000;
pulse_width=32'h 00000000;
end
else
begin
if (period_en)
period=write_data[31:0];
else
period=period;
if (pulse_width_en)
pulse_width=write_data[31:0];
else
pulse_width=pulse_width;
end
end
// period和pulse_width寄存器的讀訪問
always @(addr or period or pulse_width)
if (addr == 0)
read_data=period;
else
read_data=pulse_width;
always @(posedge clk or negedge clr_n)
begin
if (clr_n==0)
counter=0;
else
if (counter>=period-1)
counter=0;
else
counter=counter+1;
end
always @(posedge clk or negedge clr_n)
begin
if (clr_n==0)
off=0;
else
if (counter>=pulse_width)
off = 1;
else
if (counter==0)
off=0;
else
off=off;
end
assign period_en = cs !write_n !addr;
assign pulse_width_en = cs !write_n addr;
//PWM輸出
assign pwm_out=!off;
endmodule
首先是端口說明，接著是內(nèi)部信號說明。構(gòu)成PWM軟件控制接口的存儲器映射型寄存器被聲明為reg。該代碼行只允許以32位的方式訪問這些存儲器映射型寄存器。如果需要8位或16位訪問，就必須將寄存器分割成4個8位寄存器，并增加字節(jié)使能信號邏輯。用Verilog代碼實現(xiàn)這一功能是非常簡單的。always塊中已賦過值的所有信號都被聲明為reg類型。聲明為wire類型的信號是period和pulse_width寄存器寫入使能信號。這些信號使用連續(xù)賦值語句進行賦值。
清單的余下部分即是實際的代碼，共有4個always塊，最后還有幾個賦值語句。每個always塊描述一個信號或一組有相同基本行為(換句話說，使用相同的控制邏輯)的信號的行為。這是使代碼具有可讀性并能減少錯誤的Verilog代碼編寫風格。所有的always塊都有復位邏輯，當clr_n信號被證實(設(shè)為0)時，復位邏輯將信號置為0。雖然這樣做并不是嚴格必需的，但這是一種良好的設(shè)計習慣，能使每個信號在復位時都有確定的值。
第一個always塊描述了寄存器映射中的寄存器行為。當正確的使能信號被證實時，write_data寄存器值就被寫入period或pulse_width寄存器中。這是改變?nèi)我患拇嫫髦档奈ㄒ煌緩?。該文件底部的連續(xù)賦值語句定義了寫入使能信號。當主寫入使能信號和芯片選擇信號同時被證實時，period和pulse_width寄存器的寫入使能信號就被證實，此時period和pulse_width的地址位應分別被置為0和1。
第二個always塊定義了寄存器映射圖中讀寄存器。Period寄存器位于外圍電路的基本地址處，pulse_width寄存器在后面32位字地址處。
第三和第四個always塊一起來決定PWM的輸出。第三個always塊實現(xiàn)計數(shù)器功能，它連續(xù)計數(shù)到period寄存器設(shè)置的值時復位到0，然后重新開始計數(shù)。第四個always塊對該計數(shù)器值與pulse_width寄存器值進行比較，當計數(shù)器值小于pulse_width值時，PWM輸出保持高電平，否則設(shè)為低電平。
需要牢記的是不管在何種條件下每個信號都必須有明確的值?；仡櫼幌掠布幕拘袨樘卣?mdash;—“始終在運行”。例如在最后一個always塊(描述off信號的那個塊)中，代碼的最后行將off賦于它本身。最初看來好象比較奇怪，但如果沒有這一行的話，off值將是不確定的。對這一情況保持跟蹤的最方便途徑是確保每次信號會在if語句中賦值，在相應的else語句中也賦值。
軟件訪問
現(xiàn)在硬件完成了，可以利用寄存器映射圖中的寄存器通過軟件對PWM實施控制。讀者可以用一個簡單的帶指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)連接PWM中的寄存器。
typedef volatile struct
{
uint32_t period;
uint32_t pulse_width;
} PWM;
例如，可以將PWM連接到LED。先初始化一個名為pLED、類型為PWM*的變量，將其指向PWM基地址。這樣做實際上是將硬件抽象進了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。向pLED->period寫入數(shù)據(jù)會設(shè)置或改變period值，向pLED->pulse_width寫入數(shù)據(jù)將改變占空比，并導致LED的亮度增加或減少。如果使用的是閃爍型LED，只需把周期變長，讓肉眼清晰辨別開和關(guān)的周期即可。
清單3所示的Verilog PWM實現(xiàn)在本例中是作為Altera的Nios處理器系統(tǒng)的外圍電路進行測試的，可以利用前文所述的C結(jié)構(gòu)通過軟件對它訪問。Altera的SOPC Builder創(chuàng)建了宏，可以使ModelSim(明導資訊公司的一個硬件仿真器)中的協(xié)同仿真。在系統(tǒng)執(zhí)行C代碼時可以利用ModelSim仿真器觀察到PWM信號以及其它系統(tǒng)信號的行為。
清單4給出了用于產(chǎn)生圖1所示PWM波形的C代碼。C代碼向PWM寄存器寫入數(shù)據(jù)，創(chuàng)建出周期為5個時鐘周期、脈寬為4個時鐘周期的PWM輸出信號。請注意在波形的開始處，由于period和pulse_width寄存器都被寫入了數(shù)據(jù)，cs和wr_n信號被證實了二次（在寫period寄存器時地址信號為低電平，在寫pulse_width寄存器時地址信號變成了高電平）。
清單4：用于產(chǎn)生圖1所示PWM波形的測試軟件。
void
main(void)
{
PWM * const pLED=...
pLED->period=5;
pLED->pulse_width=4;
asm(nop);
asm(nop);
asm(nop);
pLED->pulse_width=2;
}
在寄存器中寫入新值后，pwm_output信號開始反映出變化。然后，只加入一些時延我們再看輸出，一些NOP指令被C代碼執(zhí)行了。最終，脈寬變?yōu)?個周期，PWM波形相應也有了變化，但周期仍保持為5個時鐘周期。
設(shè)計嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)時最好將系統(tǒng)分成硬件和軟件二大模塊，以便充分利用各自的優(yōu)勢。隨著開發(fā)工具的不斷發(fā)展，軟件和硬件模塊的相互交換也變得越來越透明。
一旦充分理解了本文討論的概念和內(nèi)容，也就掌握了在FPGA上開發(fā)硬件的技能。FPGA能被用作微處理器系統(tǒng)中的一個存儲器映射式外圍電路，可以通過簡單的編程實現(xiàn)接口。由于用硬件實現(xiàn)算法的速度快得多，將算法從軟件轉(zhuǎn)換成硬件可以極大地提高系統(tǒng)性能。這就是人們常說的硬件加速，掌握這一技術(shù)是熟練使用可編程邏輯器件中被有效實現(xiàn)的可配置處理器的關(guān)鍵。從長遠來看，即使是軟件工程師也能通過硬件加速提高系統(tǒng)性能和效率。
評論