零基礎(chǔ)學(xué)FPGA （二十一）SOPC進(jìn)階，自定義AD轉(zhuǎn)換IP核設(shè)計(jì)全流程

　　今天帶大家來設(shè)計(jì)一個自定義的IP核，我們從最基本的做起，包括datasheet 的理解，設(shè)計(jì)的整體框架，AD轉(zhuǎn)換代碼的編寫，仿真，Avalon-MM總線接口的編寫，硬件系統(tǒng)還是基于上次的硬件系統(tǒng)，不過我們不再用altera給我們提供的IP核了，我們要自己做一個，有時候我們找不到他們提供的IP核，或者有些IP核是收費(fèi)的，這個時候我們就可以自己來編寫自己的IP，雖然沒有官方的那么標(biāo)準(zhǔn)，但是用來做一些實(shí)驗(yàn)還是沒什么問題的。

　　這次實(shí)驗(yàn)我用的是原來我那塊板子，因?yàn)槟菈K板子上有AD轉(zhuǎn)換芯片，而我們上次搭建的硬件系統(tǒng)是基于cyclone IV的硬件系統(tǒng)，但是這塊開發(fā)板上沒有AD芯片，我們就不做軟件下載的實(shí)驗(yàn)了，其實(shí)只要在我們編寫AD轉(zhuǎn)換HDL代碼的時候測試成功，那么我們軟件調(diào)試部分就應(yīng)該沒什么問題了，有條件的同學(xué)可以自己做這一部分。

　　一、有理可依

　　所有編寫的代碼必須都得有理可依，要不然直接看代碼那得有多痛苦啊，第一部分先來帶大家熟悉一下datasheet上的東西

　　我們要操作的AD轉(zhuǎn)換芯片TLC549的頂層視圖

　　可以看到這個芯片應(yīng)該不太難操作，左邊是模擬信號輸入端，因?yàn)槭悄?shù)轉(zhuǎn)換，這邊我們就暫時可以不管，看右邊有時鐘信號，數(shù)字信號輸出端和片選端，那么我們需要控制的，無非就是時鐘信號和片選信號了

　　還有什么器件描述什么的大家可以自己取去看，我們主要去看時序圖

　　大體上來看一下，，首先是ADC的工作時鐘，它在片選信號為低電平的時候有效，連續(xù)8個周期用來將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送到數(shù)據(jù)總線上，8個時鐘周期過后就是轉(zhuǎn)換周期，用來對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在這期間，片選信號要拉高，對于片選信號，開始的時候有一個從高電平到低電平的跳變，然后等待一個建立時間TSU，建立時間結(jié)束后ADC工作時鐘開始工作，8個時鐘周期后，片選拉高開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后片選拉低，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送出去。

　　細(xì)節(jié)部分，可以看到當(dāng)片選拉低后，我們可以定義一個使能信號en來開啟工作時鐘，從片選拉低到工作時鐘有效需要一個建立時間1.4us，這個數(shù)據(jù)在下面的表格中可以查到，之后是8個數(shù)據(jù)鎖存周期，每一個時鐘的高低電平延時不能小于404ns，具體也是表格中找，然后是轉(zhuǎn)換周期，時間是17us，至于轉(zhuǎn)換期間的工作時鐘是什么我們可以不必關(guān)心。

　　再來看一下它的注釋內(nèi)容，大體意思是說轉(zhuǎn)換周期需要一個17us的延時，注釋B大體意思是說，當(dāng)片選拉低之后，數(shù)據(jù)的第8位就自動的放到了數(shù)據(jù)總線上，剩下的7位數(shù)據(jù)在第7個時鐘下降沿到來的時候就已經(jīng)鎖存了。

　　二、編程思路

　　這段時間跟著他們在上課，聽李老師講課的時候，李老師不會將大量的時間放到代碼的編寫上，而是有時候花一整節(jié)課的時間來幫助學(xué)生來構(gòu)建編程的思路，包括系統(tǒng)架構(gòu)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等，有了這些都東西作為鋪墊，我們的代碼編寫就可以手到擒來，起到事半功倍的效果，如果我們不做好事先的準(zhǔn)備設(shè)計(jì)工作，沒有一個系統(tǒng)的架構(gòu)在我們腦海里，上來就去寫代碼，就會發(fā)現(xiàn)越寫問題越多，思路不通，處理不當(dāng)?shù)葐栴}，所以小墨同學(xué)回來之后也用word做了這么個狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，這個實(shí)驗(yàn)不是很難，狀態(tài)機(jī)也沒那么復(fù)雜，就是希望起到一個拋磚引玉的過程，通過一個小小的實(shí)例，告訴大家以后在拿到一個問題后改怎么下手。雖然畫的不怎么樣~還是可以看得哈~

　　理一下編程思路吧，從datasheet里面我們知道。我們要做好這幾個延時，即準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換的延時1.4us，17us的轉(zhuǎn)換延時，和404ns的ADC工作時鐘高低電平延時等。狀態(tài)機(jī)部分采用兩段式狀態(tài)機(jī)。將組合邏輯與時序邏輯分開，采用獨(dú)熱編碼。按照狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖構(gòu)思好狀態(tài)機(jī)的編程思路。數(shù)據(jù)處理部分，為了保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，可以采用邊沿脈沖檢測法檢測ADC工作時鐘的上升沿，在每一個上升沿將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)一位一位鎖存，由于數(shù)據(jù)是串行輸入，還要用到串并轉(zhuǎn)換的思想，這些編程方法前面都已經(jīng)介紹過，就不一一講解了。

　　代碼風(fēng)格部分，個人感覺這一套代碼比起以前有了一些進(jìn)步，至少看起來思路清晰，注釋合理，數(shù)據(jù)處理恰當(dāng)，語法直白，沒有用到一些很別扭的語法等。具體還需要廣大讀者自己去體會，也希望你們能夠喜歡~

　　代碼部分就不一一講解了，源代碼會附在文章后面，大家可以自行消化

　　三、仿真與驗(yàn)證

　　上面是前仿真的過程，從波形來看和我們的設(shè)計(jì)吻合，用標(biāo)尺量一下，延時參數(shù)也和我們設(shè)計(jì)的一致

　　按理說我們下一步需要進(jìn)行時序約束部分，但是我們的這個設(shè)計(jì)是us級的，即使不做時序約束也是可以的，但是畢竟我設(shè)計(jì)的是一個IP核，為了穩(wěn)定起見還是做一下時序約束比較好。說實(shí)話，時序約束部分，個人感覺是一門高大上的學(xué)問，變化多端，有些都是經(jīng)驗(yàn)值，你問一個工程師為什么是這樣約束，有時候可能他也答不上來。之前也接觸過靜態(tài)時序分析的知識，但是一直不敢寫，感覺還是學(xué)的不怎么樣吧，想回去以后學(xué)內(nèi)存這方面的時候再去好好研究一下它~

　　下面是后仿真的波形圖

　　可以看到，波形跟我們的設(shè)計(jì)吻合，也沒有出現(xiàn)什么不合理的設(shè)計(jì)什么的，可以下板驗(yàn)證了

　　可以看到，當(dāng)我們扭動滑動變阻器的時候，相應(yīng)的模擬量被轉(zhuǎn)化成數(shù)字量并在數(shù)碼管上顯示了

　　四、Avalon-MM總線接口設(shè)計(jì)

　　我們知道，我們設(shè)計(jì)的這個IP核是要掛到Avalon-MM總線上的，作為一個從機(jī)，總線需要通過片選信號來訪問總線上掛的這些IP，因此，我們也需要給我們的IP設(shè)計(jì)一個和總線通信的接口

　　我們設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換的IP核的片選信號低電平有效，當(dāng)片選信號有效的時候，如果再來一個讀信號，那么，數(shù)據(jù)就會被總線讀走，送至CPU

　　五、自定義IP

　　好了，下面我們就可以來定義我們自己的IP了

　　先將我們剛才設(shè)計(jì)好的AD轉(zhuǎn)換的.V文件復(fù)制到我們硬件系統(tǒng)的目錄中，并養(yǎng)成一個好的習(xí)慣，新建一個文件夾，并命名為IP，以后我們設(shè)計(jì)的IP都可以放到里面

　　打開我們之前硬件系統(tǒng)的sopc builder,雙擊左上角的NEW component ，在HDL file一欄中添加我們的adc.v文件，

　　在signal一欄中，根據(jù)端口的類型配置端口，時鐘復(fù)位信號不用說，其中我們的與總線接口部分的端口屬于總線的從機(jī)端口，我們需要把它定義為avalon_slave_0端口類型，信號類型設(shè)置為低電平片選，低電平讀就好，其他端口設(shè)置為conduit類型，信號類型設(shè)置為export，因?yàn)槲覀兪怯脕磔敵龅酵獠科骷亩丝?/p>

　　在接口一欄中，我們可以設(shè)置一些相關(guān)參數(shù)，一般為默認(rèn)就好，為了我們數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，我們可以把讀延時周期設(shè)置為4個，保證它有足夠的時間去處理數(shù)據(jù)

　　然后點(diǎn)擊finish，雙擊我們生成的IP核將它添加到系統(tǒng)工程中即可，然后重新生成硬件系統(tǒng)

　　六、硬件系統(tǒng)生成

　　將生成的新的硬件系統(tǒng)的例化接口聲明好，這樣在我們的設(shè)計(jì)頂層又多了這樣一個模塊，按照慣例分析綜合，時序約束，分配管腳，這樣我們的硬件系統(tǒng)就設(shè)計(jì)好了

　　七、軟件部分

　　因?yàn)槲业挠布到y(tǒng)上沒有AD芯片，這里就只簡單說一下軟件代碼，不做下板調(diào)試了

　　軟件部分只講一下主函數(shù)部分，看下圖

　　代碼很簡單，就是每隔一段時間將采集到的值在窗口打印，不過有個問題需要解釋一下，有人會問，我們在自定義IP的時候不是定義了片選端和讀信號么，為什么我們沒有對它進(jìn)行操作就可以讀數(shù)據(jù)了呢?

　　其實(shí)我們是不需要對我們的外設(shè)進(jìn)行片選或者讀寫使能的，因?yàn)槲覀兊腶valon-MM總線一次只能訪問一個從機(jī)，我們給出了我們AD轉(zhuǎn)換的IP的地址，就默認(rèn)片選了這個模塊了，又因?yàn)槲覀冋{(diào)用了IO操作的讀函數(shù)，在定義信號的時候我們定義的是低電平，這樣其實(shí)就是總線默認(rèn)幫我們選好了，我們只需要給它一個地址，那么數(shù)據(jù)就會自動的傳到總線上去。