转载:
说白了,IP核就是别人做好了的硬件模块,提供完整的用户接口和说明文档,更复杂的还有示例工程,你只要能用好这个IP核,设计已经完成一半了。说起来容易,从冗长的英文文档和网上各个非标准教程中汲取所需,并灵活运用还是需要下一番功夫的。
我认为其中最重要的几点如下:
1) 提供给IP核正确的时钟和复位条件;
2) 明确各个重要用户接口功能;
3) 掌握所需指令的操作时序;
4) 知道内部寄存器地址及功能和配置方式、顺序;
5) 会从官方示例工程中学会IP核正确使用方式;
今天来讲讲一个最常用的IP核,FIFO。可以说它是FPGA能如此灵活处理数据的基础,常用于异步时钟域处理、位宽转换以及需要数据缓存的场合。先来说明下,对于初学者和刚接触一个IP核的人来说,不要过分关注IP核的每一个参数和功能,更没必要知道内部的具体结构和工作原理(还没忘之前使用的ILA吧,反正我是不知道具体怎么设计出来的)只需掌握最常用的和最重要的,把IP核用起来就大功告成了。先从生成IP核开始吧:
配置向导中第一页中是选择FIFO的接口模式和实现方式。这里我们用原始的接口方式。箭头处是实现方式,如果需要异步时钟域处理选择读写独立时钟模式。
第二页中需要特意强调的是读模式的选择。其实这里的First Word Fall Through对应的就是Altera FPGA中FIFO IP核读模式中的Show ahead模式嘛,换个名字而已。这个读模式的特点是在读使能有效之前,即把FIFO中第一个数据从读数据端口持续送出。在这种模式下,读使能信号倒像是“读清”信号,把上一次的数据清除掉,让FIFO送出下一个数据。这样做的处是符合dout 和dout_vld相配合的输出信号方式。
第三页是配置一些可选的标志位,可以根据需要灵活实现一些标志位和握手特性(我是从来没用过)。
第四页可选FIFO内缓存数据量计数器,由于我开始选择的是异步FIFO模式,所以此处有两个计数器分别与读侧和写侧时钟上升沿同步。注意一点:这两个计数器均表示FIFO缓存数据量,只不过在时钟上有些偏差,切不可错误理解为是写入了或者读出了多少个数据。
最后总结页,把前边的参数和配置汇总下。没有问题可以点击OK了!
IP核生成好了,接下来要正确用起来。我们把以太网接口数据传输作为案例背景,通常来说是FPGA逻辑+MAC IP核+外部PHY芯片的架构。若想让MAC IP核正确接收待发送数据,需要将数据进行封包并加入MAC头部信息。
为简化设计,先只考虑对封包后数据添加MAC头部的功能,也就是说此时输入的数据即是长度符合以太网规范,且具有数据包格式的数据。由于在数据部分输出前加额外的信息,所以先要缓存输入的数据直到MAC头输出完成再将写入数据发送出来,因此需要用FIFO缓存数据。进一步分析,经过封包后的数据格式如下:
其中sop和eop分别是包头,包尾指示信号,data_vld是数据有效指示信号。由于数据位宽此处是32位,而数据的最小单元是字节,所以每个32位数据不一定包含4个字节有效数据,使用data_mod指示出无效字节数。为了让该模块输出端知道何时输出完一个数据包,要把eop信号和数据信号拼接写入FIFO中,这样输出端发出eop时进入新一轮循环。如果根据写入sop信号来作为开始发送MAC头部和数据部分的标志,试想当一个短包紧跟着一个长包写进FIFO中时,输出端正在送出上一长包剩下的几个数据,无法响应短包的sop信号指示,那么短包即被“丢弃”了。为了避免丢包现象,需要满足“读写隔离规则”,即FIFO读操作和写操作两者不能根据一方的情况来决定另一方的行为。进一步引出“双FIFO架构”,使用数据FIFO缓存数据,而信息FIFO保留指示信息,这样讲写侧的指示信号写入信息FIFO中,数据FIFO可以根据信息FIFO读侧的信息来判断读的行为,也就满足了读写隔离规则。
在该模块中,可以在写侧出现sop信号时写入信息FIFO一个指示信息,所以当信息FIFO非空即表示有一个数据包正在进来,此时发送MAC头信息,随之读取数据FIFO中缓存数据,当读侧出现eop信号则读清信息FIFO,循环往复完成了添加头部信息的工作。
MAC头部信息为14字节,而数据位宽是32位,即一次发送四个字节,所以相当于头部为三个半数据。因此在发送第三个头部数据时,低16位要用数据部分填充,后边的数据也要跟着移位。如此移位操作后,数据部分就晚了一拍输出最后16位。如果最后这16位数据中有有效字节,那么mac_data_vld当前节拍也要有效,且mac_data_eop和mac_data_mod跟着晚一拍输出;如果无有效字节,则按照正常情况输出。在代码中我使用end_normal和end_lag信号来区分上述两种情况。需要特别注意的是,在移位操作后数据包中包含的无效字节个数也会发生变化。为了理清思路和时序,画出核心信号时序图:
有了项目需求,设计思路后明确模块接口列表:
开始编写代码了:
1 `timescale 1ns / 1ps 2 3 module add_mac_head( 4 input clk, 5 input rst_n, 6 input [31:0] app_data, 7 input app_data_vld, 8 input app_data_sop, 9 input app_data_eop, 10 input [1:0] app_data_mod,//无效字节数 11 12 input mac_tx_rdy,//MAC IP发送准备就绪信号 13 output reg [31:0] mac_data, 14 output reg mac_data_vld, 15 output reg mac_data_sop, 16 output reg mac_data_eop, 17 output reg [1:0] mac_data_mod 18 ); 19 20 reg [34:0] wdata; 21 reg wrreq,rdreq; 22 reg wdata_xx; 23 reg wrreq_xx,rdreq_xx; 24 reg [1:0] head_cnt; 25 reg head_flag,head_tmp,rd_flag,rd_flag_tmp; 26 reg [34:0] q_tmp; 27 28 wire [31:0] data_shift; 29 wire add_head_cnt,end_head_cnt; 30 wire head_neg; 31 wire [34:0] q; 32 wire rdempty_xx; 33 wire sop_in; 34 wire [2:0] head_len; 35 wire [111:0] mac_head; 36 wire [47:0] des_mac,sour_mac; 37 wire [15:0] pack_type; 38 wire rd_neg; 39 40 fifo_generator_0 fifo_data ( 41 .clk(clk), // input wire clk 42 .din(wdata), // input wire [34 : 0] din 43 .wr_en(wrreq), // input wire wr_en 44 .rd_en(rdreq), // input wire rd_en 45 .dout(q), // output wire [34 : 0] dout 46 .full(), // output wire full 47 .empty() // output wire empty 48 ); 49 50 fifo_generator_1 fifo_message ( 51 .clk(clk), // input wire clk 52 .din(wdata_xx), // input wire [0 : 0] din 53 .wr_en(wrreq_xx), // input wire wr_en 54 .rd_en(rdreq_xx), // input wire rd_en 55 .dout(), // output wire [0 : 0] dout 56 .full(), // output wire full 57 .empty(rdempty_xx) // output wire empty 58 ); 59 60 //数据fifo写数据 61 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 62 if(!rst_n) 63 wdata <= 0; 64 else if(app_data_vld) 65 wdata <= {app_data_eop,app_data_mod,app_data}; 66 end 67 68 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 69 if(!rst_n) 70 wrreq <= 0; 71 else if(app_data_vld) 72 wrreq <= 1; 73 else 74 wrreq <= 0; 75 end 76 77 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 78 if(!rst_n) 79 wdata_xx <= 0; 80 else if(sop_in) 81 wdata_xx <= 1; 82 else 83 wdata_xx <= 0; 84 end 85 86 assign sop_in = app_data_vld && app_data_sop; 87 88 //当写侧出现sop时表明有一个数据包正在写入,此时写信息FIFO任意数据告知读侧开始发送MAC头部信息 89 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 90 if(!rst_n) 91 wrreq_xx <= 0; 92 else if(sop_in) 93 wrreq_xx <= 1; 94 else 95 wrreq_xx <= 0; 96 end 97 98 //MAC头部有14个字节 数据位宽是32位,即一个数据4个字节,需要发送4个数据(最后一个数据只有2个字节是头部) 99 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 100 if(!rst_n) 101 head_cnt <= 0; 102 else if(add_head_cnt)begin 103 if(end_head_cnt) 104 head_cnt <= 0; 105 else 106 head_cnt <= head_cnt + 1'b1; 107 end 108 end 109 110 assign add_head_cnt = head_flag && mac_tx_rdy; 111 assign end_head_cnt = add_head_cnt && head_cnt == head_len - 1 - 1; 112 assign head_len = 4; 113 114 //发送MAC头部标志位 115 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 116 if(!rst_n) 117 head_flag <= 0; 118 else if(end_head_cnt) 119 head_flag <= 0; 120 else if(!rdempty_xx && !rd_flag) 121 head_flag <= 1; 122 end 123 124 //读数据FIFO标志位 125 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 126 if(!rst_n) 127 rd_flag <= 0; 128 else if(end_head_cnt) 129 rd_flag <= 1; 130 else if(rd_eop) 131 rd_flag <= 0; 132 end 133 134 assign rd_eop = rdreq && q[34]; 135 136 always@(*)begin 137 if(rd_flag && mac_tx_rdy) 138 rdreq <= 1; 139 else 140 rdreq <= 0; 141 end 142 143 //读侧出现eop读取完整版报文,此时读清信息FIFO 144 always@(*)begin 145 if(rd_eop) 146 rdreq_xx <= 1; 147 else 148 rdreq_xx <= 0; 149 end 150 151 //寄存头部标志位找出下降沿 152 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 153 if(!rst_n) 154 head_tmp <= 0; 155 else 156 head_tmp <= head_flag; 157 end 158 159 assign head_neg = head_flag == 0 && head_tmp == 1; 160 161 //寄存q用于移位操作 162 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 163 if(!rst_n) 164 q_tmp <= 0; 165 else 166 q_tmp <= q; 167 end 168 169 assign data_shift = {q_tmp[15:0],q[31:16]}; 170 171 //MAC头 14字节 172 assign mac_head = {des_mac,sour_mac,pack_type}; 173 assign des_mac = 48'hD0_17_C2_00_E5_40 ;//目的MAC PC网卡物理地址 174 assign sour_mac = 48'h01_02_03_04_05_06 ;//源MAC地址为01_02_03_04_05_06 175 assign pack_type = 16'h0800 ;//IP数据报 176 177 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 178 if(!rst_n) 179 rd_flag_tmp <= 0; 180 else 181 rd_flag_tmp <= rd_flag; 182 end 183 184 assign rd_neg = rd_flag == 0 && rd_flag_tmp == 1; 185 186 //数据输出 187 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 188 if(!rst_n) 189 mac_data_sop <= 0; 190 else if(add_head_cnt && head_cnt == 0) 191 mac_data_sop <= 1; 192 else 193 mac_data_sop <= 0; 194 end 195 196 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 197 if(!rst_n) 198 mac_data_eop <= 0; 199 else if(end_normal || end_lag) 200 mac_data_eop <= 1; 201 else 202 mac_data_eop <= 0; 203 end 204 205 assign end_normal = rd_eop && q[33:32] > 2'd1; 206 assign end_lag = rd_neg && q_tmp[33:32] <= 2'd1; 207 208 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 209 if(!rst_n) 210 mac_data <= 0; 211 else if(add_head_cnt)//由于MAC不是32位数据的整数倍,需要对数据进行移位 212 mac_data <= mac_head[111 - head_cnt*32 -: 32]; 213 else if(head_neg) 214 mac_data <= {mac_head[15:0],q[31:16]}; 215 else 216 mac_data <= data_shift; 217 end 218 219 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 220 if(!rst_n) 221 mac_data_vld <= 0; 222 else if(head_flag || rd_flag || end_lag) 223 mac_data_vld <= 1; 224 else 225 mac_data_vld <= 0; 226 end 227 228 //输出无效字节个数 由于输出端进行了数据移位,导致无效数据个数发生变化 229 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 230 if(!rst_n) 231 mac_data_mod <= 0; 232 else if(end_normal) 233 mac_data_mod <= q[33:32] - 2; 234 else if(end_lag && q_tmp[33:32] == 2'd1) 235 mac_data_mod <= 1; 236 else if(end_lag && q_tmp[33:32] == 0) 237 mac_data_mod <= 2; 238 else 239 mac_data_mod <= 0; 240 end 241 242 endmodule
编写测试激励验证功能:
1 `timescale 1ns / 1ps 2 3 module add_mac_head_tb; 4 5 6 reg clk,rst_n; 7 reg [31:0] app_data; 8 reg app_data_sop,app_data_eop,app_data_vld; 9 reg [1:0] app_data_mod; 10 reg mac_tx_rdy; 11 12 wire [31:0] mac_data; 13 wire mac_data_vld,mac_data_sop,mac_data_eop; 14 wire [1:0] mac_data_mod; 15 16 add_mac_head add_mac_head( 17 .clk(clk), 18 .rst_n(rst_n), 19 .app_data(app_data), 20 .app_data_vld(app_data_vld), 21 .app_data_sop(app_data_sop), 22 .app_data_eop(app_data_eop), 23 .app_data_mod(app_data_mod),//无效字节数 24 25 .mac_tx_rdy(mac_tx_rdy),//MAC IP发送准备就绪信号 26 .mac_data(mac_data), 27 .mac_data_vld(mac_data_vld), 28 .mac_data_sop(mac_data_sop), 29 .mac_data_eop(mac_data_eop), 30 .mac_data_mod(mac_data_mod) 31 ); 32 33 parameter CYC = 5, 34 RST_TIME = 2; 35 36 integer i; 37 38 initial begin 39 clk = 1; 40 forever #(CYC / 2.0) clk = ~clk; 41 end 42 43 initial begin 44 rst_n = 1; 45 #1; 46 rst_n = 0; 47 #(CYC*RST_TIME); 48 rst_n = 1; 49 end 50 51 initial begin 52 #1; 53 app_data = 0; 54 app_data_sop = 0; 55 app_data_eop = 0; 56 app_data_mod = 0; 57 app_data_vld = 0; 58 mac_tx_rdy = 1; 59 #(CYC*RST_TIME); 60 packet_gen(10,0); 61 packet_gen(5,0); 62 packet_gen(15,2); 63 #1000; 64 $stop; 65 end 66 67 task packet_gen; 68 input [15:0] length; 69 input [1:0] invld_num; 70 begin 71 app_data_vld = 1; 72 app_data_sop = 1; 73 app_data = 32'h01020300; 74 for(i = 0;i < length;i = i + 1'b1)begin 75 if(i == 1) 76 app_data_sop = 0; 77 else if(i == length - 1)begin 78 app_data_mod = invld_num; 79 app_data_eop = 1; 80 end 81 app_data = app_data +1'b1; 82 #(CYC*1); 83 end 84 app_data_eop = 0; 85 app_data_vld = 0; 86 app_data_mod = 0; 87 end 88 endtask 89 90 endmodule
连续输入三个长度不同的报文,此处为了设计重用,用可参数化的task对激励报文进行封装。需要输入报文时只需调用packet_gen任务即可实现具有不同长度,不同无效字节个数的数据包。观察输出波形:
mac侧输出三个包文数据如下:
可以看出mac侧数据发送正确。本博文由于主要讲述FIFO应用,这里只做出行为仿真,读者可以灵活运用,添加在自己的项目中。