FPGA程序设计 - 技术栈

在设计FPGA时，多运用模块化的思想取设计模块，将某一功能设计成module。

设计之前要先画一下模块设计图，列出输入输出接口，再进一步设计内部功能。

状态机要画图，确定每个状态和状态之间怎么切换。状态用localparam定义。

顶层向下传递的要定义为wire，底层向上传递的要定义为reg。

根据时序将每一个时钟周期进行按步分解。对于通讯协议要对每条线仔细分析。

每个模块要用一个tb测试

testbench例子

cpp 复制代码

    always #10 Clk = ~Clk;
	
	initial begin
        Clk = 1;
	    Rst_n = 0;
	    Cmd = 6'b000000;
	    Go = 0;
	    Tx_DATA = 8'd0;
	    #2001;
		Rst_n = 1;
		#2000;
		
		//写数据操作，往EEPROM器件的B1地址写数据DA
		//第一次：起始位+EEPROM器件地址（7位）+写方向（1位）
		Cmd = STA | WR;
	    Go = 1;
	    Tx_DATA = 8'hA0 | 8'd0;//写方向
	    @ (posedge Clk);
        #1;
	    Go = 0;
	    @ (posedge Trans_Done);
	    #200;
	    
	    //第二次：写8位EEPROM的寄存器地址
	    Cmd = WR;
	    Go = 1;
	    Tx_DATA = 8'hB1;//写地址B1
	    @ (posedge Clk);
	    #1;
	    Go = 0;
	    @ (posedge Trans_Done);
	    #200;
	    
	    //第三次：写8位数据 + 停止位
	    Cmd = WR | STO;
	    Go = 1;
	    Tx_DATA = 8'hda;//写数据DA
	    @ (posedge Clk);
	    #1;
	    Go = 0;
	    @ (posedge Trans_Done);
	    #200;
	    
	    #5000000; //仿真模型的两次操作时间间隔
	    //读数据操作，从EEPROM器件的B1地址读数据
	    //第一次：起始位+EEPROM器件地址（7位）+写方向（1位）
		Cmd = STA | WR;
	    Go = 1;
	    Tx_DATA = 8'hA0 | 8'd0;//写方向
	    @ (posedge Clk);
	    #1;
	    Go = 0;
	    @ (posedge Trans_Done);
	    #200;
	    
	    //第二次：写8位EEPROM的寄存器地址
	    Cmd = WR;
	    Go = 1;
	    Tx_DATA = 8'hB1;//写地址B1
	    @ (posedge Clk);
	    #1;
	    Go = 0;
	    @ (posedge Trans_Done);
	    #200;
	    
	    //第三次：起始位+EEPROM器件地址（7位）+读方向（1位）
		Cmd = STA | WR;
	    Go = 1;
	    Tx_DATA = 8'hA0 | 8'd1;//读方向
	    @ (posedge Clk);
	    #1;
	    Go = 0;
	    @ (posedge Trans_Done);
	    #200;
	    
	    //第四次：读8位数据 + 停止位
	    Cmd = RD | STO;
	    Go = 1;
	    @ (posedge Clk);
	    #1;
	    Go = 0;
	    @ (posedge Trans_Done);
	    #200;
	    
	    #2000;
	    $stop;
	end

每个模块要建立一个testbench

时钟分频

复制代码

   	//系统时钟采用50MHz
	parameter SYS_CLOCK = 50_000_000;
	//SCL总线时钟采用400kHz
	parameter SCL_CLOCK = 400_000;
	//产生时钟SCL计数器最大值
	localparam SCL_CNT_M = SYS_CLOCK/SCL_CLOCK/4 - 1;

    reg [19:0]div_cnt;
	reg en_div_cnt;
	always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
	if(!Rst_n)
		div_cnt <= 20'd0;
	else if(en_div_cnt)begin
		if(div_cnt < SCL_CNT_M)
			div_cnt <= div_cnt + 1'b1;
		else
			div_cnt <= 0;
	end
	else
		div_cnt <= 0;

	wire sclk_plus = div_cnt == SCL_CNT_M;

串转并

cpp 复制代码

reg[7:0]Rx_DATA;
Rx_DATA <= {Rx_DATA[6:0],i2c_sdat};

命令可以选择使用独热码编码

cpp 复制代码

localparam
IDLE = 7'b0000001, //空闲状态
GEN_STA = 7'b0000010, //产生起始信号
WR_DATA = 7'b0000100, //写数据状态
RD_DATA = 7'b0001000, //读数据状态
CHECK_ACK = 7'b0010000, //检测应答状态
GEN_ACK = 7'b0100000, //产生应答状态
GEN_STO = 7'b1000000; //产生停止信号

亚稳态

跨时钟域信号传输；异步信号采集；复位电路。

在FPGA系统中，如果数据传输中不满足触发器的Tsu和Th不满足，或者复位过程中复位信号的释放相对于有效时钟沿的恢复时间（recovery time）不满足，就可能产生亚稳态，此时触发器输出端Q在有效时钟沿之后比较长的一段时间处于不确定的状态，在这段时间里Q端在0和1之间处于振荡状态，而不是等于数据输入端D的值。这段时间称为决断时间（resolution time）。经过resolution time之后Q端将稳定到0或1上，但是稳定到0或者1，是随机的，与输入没有必然的关系。

异步信号采集

cpp 复制代码

always@(posedge clk or posedge reset)
    if(reset)begin
        uart_rx_sync1 <= 1'b0;
        uart_rx_sync2 <= 1'b0;
    end
    else begin
        uart_rx_sync1 <= uart_rx;
        uart_rx_sync2 <= uart_rx_sync1;
end

边沿检测

cpp 复制代码

//下降沿检测
always@(posedge clk or posedge reset)
if(reset)begin
    uart_rx_reg1 <= 1'b0;
    uart_rx_reg2 <= 1'b0;
end
else begin
    uart_rx_reg1 <= uart_rx_sync2;
    uart_rx_reg2 <= uart_rx_reg1;
end

assign uart_rx_nedge = !uart_rx_reg1 & uart_rx_reg2;