針對(duì)C語(yǔ)言編程者的Verilog開發(fā)指南實(shí)例

本文舉例說(shuō)明了如何用軟件實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)，如何將該設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以在FPGA中運(yùn)行的邏輯塊，并能利用存儲(chǔ)器映射I/O接口通過軟件完成對(duì)該邏輯塊的控制。通過理解本文討論的概念和內(nèi)容，沒有太多硬件知識(shí)的軟件開發(fā)人員也能掌握在FPGA上開發(fā)硬件的技能。

在不遠(yuǎn)的將來(lái)，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將能夠根據(jù)哪個(gè)更有利于解決設(shè)計(jì)問題來(lái)自由選擇硬件和軟件方案。但直到現(xiàn)在，對(duì)于那些想學(xué)習(xí)硬件設(shè)計(jì)的軟件工程師來(lái)說(shuō)不少障礙仍然很難逾越。由于硬件描述語(yǔ)言和編程語(yǔ)言非常相似，因此最終這些障礙會(huì)消失。另外，市場(chǎng)上已有好幾種低成本的演示板，上面包含現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、微處理器以及相應(yīng)工具，軟件開發(fā)人員可以借此來(lái)學(xué)習(xí)硬件設(shè)計(jì)。

本文舉例說(shuō)明了一個(gè)使用FPGA的新設(shè)計(jì)流程，我們從中可以知道如何用軟件實(shí)現(xiàn)PWM，然后如何將該設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以在FPGA中運(yùn)行的邏輯塊，并能利用存儲(chǔ)器映射I/O接口通過軟件完成對(duì)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(jì)中。不管是硬件模塊還是軟件模塊現(xiàn)在都可以用編程語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。眾所周知，C語(yǔ)言是嵌入式軟件設(shè)計(jì)的通用語(yǔ)言。在硬件設(shè)計(jì)方面，Verilog則是流行的選擇(用VHDL的人也很多)。Verilog的語(yǔ)法和結(jié)構(gòu)與C編程語(yǔ)言非常相似，從本文的例子中也可以看到這一點(diǎn)。

同時(shí)，硬件的升級(jí)和修改也變得越來(lái)越方便。以前可以通過下載新的可執(zhí)行映像文件升級(jí)軟件，但對(duì)硬件卻行不通。現(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(chǔ)器那樣，使用可編程邏輯器件的硬件設(shè)計(jì)者也能做類似的事情。可編程邏輯改變了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)者可以像修改軟件那樣方便地修改硬件。換句話說(shuō)，在設(shè)計(jì)和調(diào)試階段，設(shè)計(jì)者能夠靈活選擇軟件方式或硬件方式來(lái)作為完成任務(wù)的最佳方式。

設(shè)計(jì)者無(wú)需太多的硬件知識(shí)就可以利用FPGA供應(yīng)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(jì)師從已有的庫(kù)中選擇和配置外圍電路，并增加用來(lái)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(shí)，軟件工程師就能夠充分利用硬件的優(yōu)勢(shì)改進(jìn)他們的系統(tǒng)。

PWM軟件

PWM控制器會(huì)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(yīng)用，大多數(shù)情況下用于控制模擬電路。因?yàn)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)連續(xù)變化的速率相對(duì)較快(當(dāng)然取決于信號(hào)周期)，因此最終會(huì)形成一個(gè)用來(lái)控制模擬設(shè)備的平均電壓值。當(dāng)PWM脈沖流應(yīng)用于馬達(dá)時(shí)，馬達(dá)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(dá)轉(zhuǎn)速就會(huì)提高，反之，如果占空比減小，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速隨之也會(huì)降低。

用軟件編寫這樣一個(gè)PWM控制器是相對(duì)比較容易的任務(wù)，但它有助于我們簡(jiǎn)明扼要地描述如何用Verilog設(shè)計(jì)硬件。清單1給出了PWM的C代碼。

清單1：完全用軟件實(shí)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(jì)算出輸出為高電平和低電平的時(shí)間。接下來(lái)將輸出引腳置為高電平，并等待time_on設(shè)定的時(shí)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(shí)間值。下個(gè)周期再重復(fù)這樣的過程，并無(wú)限循環(huán)下去。

Verilog模塊

清單2給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的Verilog模塊，實(shí)現(xiàn)帶異步復(fù)位功能的8位寬寄存器。寄存器的輸入“in”在時(shí)鐘的上升沿被賦值到輸出“out”，直到clr_n復(fù)位信號(hào)的下降沿到來(lái)(此時(shí)輸出將被賦值為0)。

清單2：實(shí)現(xiàn)帶異步復(fù)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(hào)聲明

reg [7:0]

wire

out;

a;

//實(shí)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(yǔ)言有許多相似之處。分號(hào)用于結(jié)束每個(gè)語(yǔ)句，注釋符也是相同的(/* ... */和// 都是熟悉的)，運(yùn)算符“＝＝”也用來(lái)測(cè)試相等性。Verilog的if..then..else語(yǔ)法與C語(yǔ)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(hào)。事實(shí)上，關(guān)鍵字begin和end對(duì)于單語(yǔ)句塊來(lái)說(shuō)是可有可無(wú)的，就與C中的大括號(hào)用法一樣。Verilog和C都對(duì)大小寫敏感。

當(dāng)然，硬件和軟件的一個(gè)重要區(qū)別是它們的“運(yùn)行”方式。硬件設(shè)計(jì)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(gè)單元就會(huì)一直處于運(yùn)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(huì)改變它們的輸出信號(hào)，但它們還是一直在“運(yùn)行”中。

相反，在同一時(shí)刻整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中只有一小部分(即使是多軟件任務(wù)也只有一個(gè)任務(wù))在執(zhí)行。如果只有一個(gè)處理器，同一時(shí)間點(diǎn)只能有一條指令在執(zhí)行。軟件的其它部分可以被認(rèn)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(gè)有效值而存在，但大多數(shù)時(shí)間里它們都不在使用狀態(tài)。

軟硬件的不同行為會(huì)直接導(dǎo)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(jìn)行(中斷的非線性或操作系統(tǒng)的命令除外)。

一個(gè)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(lái)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(huì)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(hào)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(gè)名稱相同且聲明為wire的信號(hào)。因此連線line被聲明為wire不是必要的。reg會(huì)保持上次的賦值，因此不需要每次都進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。wire型信號(hào)用于異步邏輯，有時(shí)也用來(lái)連接信號(hào)。因?yàn)閞eg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(shí)候異步地將輸入改變?yōu)槿魏问录eg和wire的主要區(qū)別是，reg類型的信號(hào)只能在過程塊(后面會(huì)談到)中賦值，而wire類型的信號(hào)只能在過程塊外賦值。這兩種信號(hào)類型都可以出現(xiàn)在過程塊內(nèi)部和外部的賦值運(yùn)算符右邊。

使用關(guān)鍵字reg并不一定意味著編譯器會(huì)創(chuàng)建一個(gè)寄存器，理解這一點(diǎn)是非常重要的。清單2的代碼中有一個(gè)reg類型8位寬的內(nèi)部信號(hào)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(hào)a是一個(gè)wire類型，因此只能在連續(xù)賦值(continuous assignment)語(yǔ)句中賦值，而reg類型的out信號(hào)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(shí)用于更新信號(hào)。always語(yǔ)句圓括號(hào)里的表達(dá)式組被稱為敏感列表，格式是：(表達(dá)式or表達(dá)式…)

只要敏感列表中的任何一個(gè)表達(dá)式值為真，always塊中的代碼就會(huì)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(gè)關(guān)鍵字經(jīng)常被用于敏感列表。在本例中，如果clk信號(hào)的上升沿或clr_n的下降沿信號(hào)發(fā)生時(shí)，always塊內(nèi)部的語(yǔ)句就會(huì)被執(zhí)行。

為了用好寄存器，輸出必須在時(shí)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(huì)使寄存器在clr_n信號(hào)的下降沿復(fù)位。但并不是所有的敏感列表都會(huì)包含關(guān)鍵字posedge或negedge，因此在實(shí)際硬件中并不總是存在真實(shí)的寄存器。

always塊內(nèi)的第一條語(yǔ)句判斷clr_n信號(hào)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(shí)現(xiàn)了寄存器的異步復(fù)位功能。如果條件語(yǔ)句是：if(negedge clr_n and clk==1)，那么該語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的就是基于時(shí)鐘的異步復(fù)位。

讀者可能已經(jīng)注意到，always塊中的賦值運(yùn)算符與以關(guān)鍵字assign開頭的連續(xù)賦值語(yǔ)句中用到的運(yùn)算符不一樣。"<="運(yùn)算符用于非阻塞性(nonblocking)賦值，而"＝"運(yùn)算符用于阻塞性(blocking)賦值。

在一組阻塞性賦值語(yǔ)句中，在下一個(gè)阻塞性賦值語(yǔ)句執(zhí)行前需要計(jì)算并賦值第一個(gè)賦值語(yǔ)句。這一過程就象C語(yǔ)言中語(yǔ)句的順序執(zhí)行。而非阻塞語(yǔ)句在執(zhí)行時(shí)，所有賦值語(yǔ)句的右邊被同時(shí)計(jì)算和賦值。連續(xù)賦值語(yǔ)句必須使用阻塞賦值語(yǔ)句(否則編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò))。

為了減少代碼出錯(cuò)的概率，建議在順序邏輯(例如希望以寄存器方式實(shí)現(xiàn)的邏輯)always塊中的所有賦值語(yǔ)句使用非阻塞性賦值語(yǔ)句。大多數(shù)always塊應(yīng)該使用非阻塞性賦值語(yǔ)句。如果always塊都是組合邏輯，那么就需要使用阻塞性賦值語(yǔ)句。

PWM硬件

編寫存儲(chǔ)器映射硬件模塊的首要任務(wù)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(jì)師希望能用軟件設(shè)置周期和脈寬。在硬件設(shè)計(jì)中用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)是非常容易的。因此要用到兩個(gè)寄存器，分別命名為pulse_width和period，并且都在時(shí)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(hào)，硬件可簡(jiǎn)單地通過將period和pulse_width寄存器內(nèi)容作為運(yùn)行中的計(jì)數(shù)器保持的輸出。

接下來(lái)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(chǔ)器映射PWM的信號(hào)描述概要。通常為低電平有效的信號(hào)命名做法是在信號(hào)名上加“_n”，對(duì)于控制信號(hào)更是如此。表2中的write_n和clr_n信號(hào)就是低電平有效的信號(hào)(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(lái)就可以開始編寫Verilog代碼了。清單3給出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)例子。

清單3：用Verilog實(shí)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(shuō)明，接著是內(nèi)部信號(hào)說(shuō)明。構(gòu)成PWM軟件控制接口的存儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)8位寄存器，并增加字節(jié)使能信號(hào)邏輯。用Verilog代碼實(shí)現(xiàn)這一功能是非常簡(jiǎn)單的。always塊中已賦過值的所有信號(hào)都被聲明為reg類型。聲明為wire類型的信號(hào)是period和pulse_width寄存器寫入使能信號(hào)。這些信號(hào)使用連續(xù)賦值語(yǔ)句進(jìn)行賦值。

清單的余下部分即是實(shí)際的代碼，共有4個(gè)always塊，最后還有幾個(gè)賦值語(yǔ)句。每個(gè)always塊描述一個(gè)信號(hào)或一組有相同基本行為(換句話說(shuō)，使用相同的控制邏輯)的信號(hào)的行為。這是使代碼具有可讀性并能減少錯(cuò)誤的Verilog代碼編寫風(fēng)格。所有的always塊都有復(fù)位邏輯，當(dāng)clr_n信號(hào)被證實(shí)(設(shè)為0)時(shí)，復(fù)位邏輯將信號(hào)置為0。雖然這樣做并不是嚴(yán)格必需的，但這是一種良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，能使每個(gè)信號(hào)在復(fù)位時(shí)都有確定的值。

第一個(gè)always塊描述了寄存器映射中的寄存器行為。當(dāng)正確的使能信號(hào)被證實(shí)時(shí)，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煌緩健Ｔ撐募撞康倪B續(xù)賦值語(yǔ)句定義了寫入使能信號(hào)。當(dāng)主寫入使能信號(hào)和芯片選擇信號(hào)同時(shí)被證實(shí)時(shí)，period和pulse_width寄存器的寫入使能信號(hào)就被證實(shí)，此時(shí)period和pulse_width的地址位應(yīng)分別被置為0和1。

第二個(gè)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(gè)always塊一起來(lái)決定PWM的輸出。第三個(gè)always塊實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器功能，它連續(xù)計(jì)數(shù)到period寄存器設(shè)置的值時(shí)復(fù)位到0，然后重新開始計(jì)數(shù)。第四個(gè)always塊對(duì)該計(jì)數(shù)器值與pulse_width寄存器值進(jìn)行比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器值小于pulse_width值時(shí)，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(gè)信號(hào)都必須有明確的值。回顧一下硬件的基本行為特征——“始終在運(yùn)行”。例如在最后一個(gè)always塊(描述off信號(hào)的那個(gè)塊)中，代碼的最后行將off賦于它本身。最初看來(lái)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(duì)這一情況保持跟蹤的最方便途徑是確保每次信號(hào)會(huì)在if語(yǔ)句中賦值，在相應(yīng)的else語(yǔ)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(duì)PWM實(shí)施控制。讀者可以用一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)名為pLED、類型為PWM*的變量，將其指向PWM基地址。這樣做實(shí)際上是將硬件抽象進(jìn)了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。向pLED->period寫入數(shù)據(jù)會(huì)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(dǎo)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(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)在本例中是作為Altera的Nios處理器系統(tǒng)的外圍電路進(jìn)行測(cè)試的，可以利用前文所述的C結(jié)構(gòu)通過軟件對(duì)它訪問。Altera的SOPC Builder創(chuàng)建了宏，可以使ModelSim(明導(dǎo)資訊公司的一個(gè)硬件仿真器)中的協(xié)同仿真。在系統(tǒng)執(zhí)行C代碼時(shí)可以利用ModelSim仿真器觀察到PWM信號(hào)以及其它系統(tǒng)信號(hào)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(gè)時(shí)鐘周期、脈寬為4個(gè)時(shí)鐘周期的PWM輸出信號(hào)。請(qǐng)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(hào)被證實(shí)了二次（在寫period寄存器時(shí)地址信號(hào)為低電平，在寫pulse_width寄存器時(shí)地址信號(hào)變成了高電平）。

清單4：用于產(chǎn)生圖1所示PWM波形的測(cè)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(hào)開始反映出變化。然后，只加入一些時(shí)延我們?cè)倏摧敵觯恍㎞OP指令被C代碼執(zhí)行了。最終，脈寬變?yōu)?個(gè)周期，PWM波形相應(yīng)也有了變化，但周期仍保持為5個(gè)時(shí)鐘周期。

設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)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(shì)。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(lái)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(gè)存儲(chǔ)器映射式外圍電路，可以通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)接口。由于用硬件實(shí)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(shuō)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(shí)現(xiàn)的可配置處理器的關(guān)鍵。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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。