試用手記：為國產(chǎn)FPGA正名(五，外擴(kuò)SFR使用)

 題記：本以為這個(gè)國產(chǎn)FPGA的就此夭折，沒想到權(quán)衡之后，在性能打些折扣的情況下還是重新?lián)炱饋砹?。從剛接觸這個(gè)器件的時(shí)候特權(quán)同學(xué)就很關(guān)心它的硬核可擴(kuò)展性，Avalone接口用上手了，當(dāng)然很希望這個(gè)51硬核也能夠提供類似的強(qiáng)大擴(kuò)展接口。不過話說回來，畢竟是個(gè)8位的核，再強(qiáng)大也不到哪去，但在花了點(diǎn)心思琢磨了這個(gè)小玩意的擴(kuò)展方式后，多少覺得還是有點(diǎn)花頭的。

SFR，即特殊功能寄存器。SFR是8051單片機(jī)內(nèi)部用于訪問控制各種片上集成外設(shè)的主要寄存器，如常見的IO口（P0/P1/P2/P3）讀寫、IO 中斷配置、定時(shí)器配置、串口外設(shè)等。因此，對(duì)一般用戶而言，玩轉(zhuǎn)8051就是玩轉(zhuǎn)SFR的過程。一般的單芯片8051單片機(jī)的SFR接口不對(duì)外開放，除了部分寄存器內(nèi)部使用外，余下地址空間保留。而Astro器件的這顆8051硬核將空置的SFR地址空間開放給用戶，提供了專門的對(duì)外接口時(shí)序。

特權(quán)同學(xué)將關(guān)于Astro器件SFR相關(guān)的特性整理如下：

●  可尋址空間0x80~0xff。
●  部分地址空間已被8051內(nèi)部使用。
●  16個(gè)地址空間（能被8整除的地址如0x80、0x88、0x90、…0xf8等）可位尋址。
●  最多支持49個(gè)8051核外可用SFRs，除核內(nèi)已占用的地址，余下地址空間均為用戶可用的核外SFRs。
●  外部SFR接口含有等待狀態(tài)寄存器（主要由sfack信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)），允許8051內(nèi)核與較慢的外設(shè)連接。
●  外部SFR讀寫時(shí)序如圖1所示。

 
圖1

為了簡單的評(píng)估8051硬核的SFR擴(kuò)展功能的性能，特權(quán)同學(xué)做了一些測(cè)試。

測(cè)試1：SFR可用性測(cè)試

簡單的用邏輯模擬一個(gè)SFR可訪問的外部寄存器，該寄存器只使用低四位，對(duì)應(yīng)控制4個(gè)外部LED的亮暗。以此驗(yàn)證核外SFR的可用性。

對(duì)于8051硬核而言，如果開啟核外SFR功能，提供了如下接口（與前面給出的波形圖對(duì)應(yīng)）：

// External Special Function Registers interface
output[7:0] sfrdatao;   //8051寫數(shù)據(jù)
output [6:0] sfraddr;   //8051訪問地址
input [7:0] sfrdatai;       //8051讀數(shù)據(jù)
output sfrwe;       //8051寫SFR使能信號(hào)，高電平有效
output sfroe;       //8051讀SFR使能信號(hào)，高電平有效

SFR從機(jī)的邏輯接口代碼如下：

reg[3:0] ledr;  //LED指示燈對(duì)應(yīng)的SFR
always @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) ledr <= 4'h0;
    else if(sfrwe && (sfraddr == 7'h78)) ledr <= sfrdatao[3:0];
//8051往地址為0xf8的SFR寫數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)鎖存到ledr寄存器中
end
assign {led3,led2,led1,led0} = ledr;

軟件編程時(shí)，需要在工程中做一個(gè)新的sfr定義：

//自定義SFR
sfr LED = 0xf8;   //低4bit控制LED亮暗
編寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)SFR控制的流水燈：
void main(void)
{
    while(1)
    {
        LED = 0x1;
        delay(500);
        LED = 0x2;
        delay(500);
        LED = 0x4;
        delay(500);
        LED = 0x8;
        delay(500);
    }
}

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明功能可行，達(dá)到預(yù)期。這個(gè)SFR功能的使用還是蠻簡單的。

為了驗(yàn)證寫功能，基本思路是想針對(duì)板載4個(gè)按鍵做一個(gè)SFR寄存器，專供8051內(nèi)核讀取當(dāng)前按鍵值，然后把該值分別賦給4個(gè)LED（在前面測(cè)試的基礎(chǔ)上執(zhí)行）。添加的邏輯代碼：

reg[3:0] keyr;

always @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) keyr <= 4'hz;
    else if(sfroe && (sfraddr == 7'h79)) keyr <= {key4,key3,key2,key1}; //8051從地址為0xf9的SFR讀出數(shù)據(jù)
    else keyr <= 4'hz;
end

assign sfrdatai = keyr;

讀時(shí)序這個(gè)時(shí)鐘clkcpu應(yīng)該是8051工作的指令時(shí)鐘，即8051外部輸入時(shí)鐘的12分頻。這個(gè)時(shí)序圖好像不太準(zhǔn)確，實(shí)際讀或?qū)戇x通高脈沖不會(huì)保持一整個(gè)指令周期。特權(quán)同學(xué)測(cè)試下來發(fā)現(xiàn)用50MHz時(shí)鐘做從接口，早一個(gè)時(shí)鐘或是晚一個(gè)時(shí)鐘周期送數(shù)據(jù)都無法使8051讀走數(shù)據(jù)，只有上面給出的代碼下時(shí)鐘送數(shù)據(jù)才能正常保證8051鎖存數(shù)據(jù)。也就是說，數(shù)據(jù)必須在讀選通期間都保持穩(wěn)定，早一個(gè)時(shí)鐘周期撤銷或是晚一個(gè)時(shí)鐘周期撤銷都不行。因此，為了延長數(shù)據(jù)有效長度，改進(jìn)如下：

reg[3:0] keyr;
reg keyrden;

always @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) keyrden <= 1'b0;
    else if(sfroe && (sfraddr == 7'h79)) keyrden <= 1'b1;
    else keyrden <= 1'b0;
end

always @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) keyr <= 4'hz;
    else if(keyrden || (sfroe && (sfraddr == 7'h79))) keyr <= {key4,key3,key2,key1};    //8051從地址為0xf9的SFR讀出數(shù)據(jù)
    else keyr <= 4'hz;
end

assign sfrdatai = keyr;

軟件編程也很簡單：

//自定義SFR
sfr LED = 0xf8;   //低4bit控制LED亮暗
sfr KEY = 0xf9;   //低4bit對(duì)應(yīng)當(dāng)前按鍵值

void main(void)
{
    while(1)
    {
        LED = KEY;
    }
}

測(cè)試2：SFR性能測(cè)試

與《國產(chǎn)FPGA試用手記二（51硬核性能測(cè)試）》做了類似的測(cè)試，驗(yàn)證LED寄存器拉高拉低的速度，和之前的結(jié)果一樣。也就是說，核外的SFR在不使用等待功能的情況下與核內(nèi)SFR的操作速度是一樣的。

測(cè)試3：SFR等待功能驗(yàn)證

在50MHz的clkcpu下，沒有等待時(shí)（即assign sfrack = 1'b1;），不斷的對(duì)核外SFR寫使能情況可以得到如圖2所示的使能信號(hào)波形。兩次上升沿之間240ns即一個(gè)指令周期（12個(gè)50MHz時(shí)鐘周期），而讀使能信號(hào)有效高脈沖為160ns，即8個(gè)時(shí)鐘周期。

 
圖2

Datasheet中標(biāo)明的sfrack信號(hào)其實(shí)無法直接從例化的51硬核中找到接口，于是特權(quán)同學(xué)干脆直接生成的IP核例化文件中把它手動(dòng)引出來了，在自定義邏輯中對(duì)這個(gè)信號(hào)做了一些測(cè)試，也發(fā)現(xiàn)了該信號(hào)的使用方法。

代碼如下：

reg[7:0] sfcnt;     //延時(shí)等待計(jì)數(shù)器，以50MHz為時(shí)鐘單位計(jì)數(shù)
wire sfrack;        //SFR 讀寫等待信號(hào)

always @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) sfcnt <= 8'd0;
    else if(sfrwe) sfcnt <= sfcnt+1'b1;
    else sfcnt <= 8'd0;
end

assign sfrack = (sfcnt == 0) | (sfcnt > 8'd23);
//等待n個(gè)指令周期，則sftcnt要大于(n*12-1)

該代碼實(shí)現(xiàn)在sfrwe即SFR寄存器寫選通信號(hào)到來后，用計(jì)數(shù)器sfcnt進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后相應(yīng)的對(duì)需要延時(shí)等待的8051指令周期數(shù)通過控制sfrack為低電平實(shí)現(xiàn)。

分別設(shè)置了sfcnt>8’d16、sfcnt>8’d24、sfcnt>8’d23得到sfrwe的波形如圖3、圖4、圖5所示。

 
圖3

 
圖4

 
圖5

由此可見，這里延時(shí)等待的時(shí)間必須剛好是指令周期。即系統(tǒng)指令周期為20ns*12=240ns，那么我們外部計(jì)數(shù)周期也是20ns的情況下，一般取等待時(shí)鐘數(shù)為12的倍數(shù)即可。否則就會(huì)出現(xiàn)圖3和圖4的“毛刺”，其中原因特權(quán)同學(xué)不好妄下定論，恐怕和器件本身的內(nèi)部處理機(jī)制有關(guān)。