mcu+cpld 联合编程（概念及流程）

在使用mcu+cpld联合编程之前，请确认已经熟练掌握mcu的使用方法，并且对cpld编程（verilog语言）有一定的基础。

另外，对AHB总线也需要有一定的了解。

这个章节分为两部分：

第一部分，展示联合编程中各种概念和操作流程；

第二部分，从具体案例出发，由浅到深来描述各种常用的编程技巧。

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以下描述为第一部分（概念和流程）。如要查看实例讲解，请参考第二部分。

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一、前述

在AG32芯片（所有型号）中，都有内嵌2K的逻辑门，可供fpga/cpld来使用。

也就是说，使用AG32的芯片时，有三种选择：

1. 只使用mcu部分；
2. 只使用cpld部分；
3. 同时使用mcu和cpld（即：mcu和cpld联合编程）；

如果：

用于1（仅用做mcu），不必关注此文档。

用于2（仅用做cpld），硬件设计和操作流程，请跳转到"纯粹cpld编程"，也不必关注此文档。

用于3（mcu和cpld联合编程）：请按照该文档的描述，先完整走一个流程。

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二、基础了解

1. AG32整颗芯片包含两部分：mcu和cpld。

这两部分是相互独立的（各自编译、各自下载），但又可以相互连通起来（信号连通）。

芯片要把这两部分的bin都烧录进去，才能运行起来。

2. mcu和cpld到外部Pin脚的连通，是通过VE文件来配置的。

跟ST芯片每个Gpio对应某个固定Pin脚不同，在AG32中，所有的Gpio/大部分的外设，对外引脚并不是定死的。而是需要在VE文件中指定对应。

VE中，除了配置Gpio到Pin的关联，还可以配置mcu到cpld之间的信号关联。

3. Mcu+cpld联合编程时，cpld工程是由vscode的"prepare LOGIC"命令自动生成的。

注意：联合编程时，cpld工程不能手工通过supra建立。

cpld的对外接口，也是依托于vscode工程来的，不再是孤立的。

cpld中的top module的信号输入，是关联到mcu工程的（由VE配置出来）。

4. cpld在联合编程中的定位：

整颗芯片运行时，需要两个bin：mcu的bin和cpld的bin。

如果芯片中只使用mcu不使用cpld：

此时，VE文件里只配置mcu用到的Pin脚即可。

这种情况下，vscode工程中点"upload LOGIC"时，会自动生成默认logic（该logic中"用户逻辑"为空而已），并编译出bin并烧录。

整个过程中，logic部分对开发者来说是无感的。

如果芯片中同时使用mcu和cpld：

那么要把工程配置成"自定义logic"。

此时VE文件里需要配置用到的mcu和pin之间、mcu和cpld之间、cpld和pin之间，三种情况下的信号关联。

这种情况下，VSCode下点"prepare LOGIC"按钮，会为开发者生成cpld的框架工程。**开发者需要在这个框架下完成cpld逻辑的编写。**这个编写调试中，开发者持有主动权。等全部开发完成，并编译出bin，烧录就又回到VSCode去烧录。

这个过程，除了logic需要用户自己编写编译外，从更外层的视角看，整个流程还是跟"默认Logic"是相同的。

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三、安装软件

mcu需要使用到的VSCode前边已经安装过了。

fpga/cpld需要使用Supra和Altera Quartus II两个软件来编程。

其中：

Supra.exe软件在安装完SDK后，已经在SDK路径下了，可直接使用（无需额外安装Supra）。

（注：如果在SDK路径下没有找到Supra.exe，可进入安装路径\AgRV_pio\packages\tool-agrv_logic\bin\去找到。同时建议手工新建一个快捷方式到SDK路径下以方便后续使用）

Altera Quartus II软件需要用户自行安装，安装后再安装对应的器件库。

（注意：Quartus不能使用Lite版本，需要使用Full版本。最好使用版本：Quartus II 64-Bit Version 13.0.1 Build 232 06/12/2013 SJ Full Version）

在这两个软件中，

Quartus工具用来编写vlog代码并导出vo文件，Supra工具使用vo文件来生成最终的bin。

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四、CPLD使用流程

从使用角度来说，整体需要4个步骤：

• 1.在VE文件里配置引脚关系；
• 2.建立cpld空工程（使用prepare LOGIC命令）并编写逻辑；
• 3.Quartus下进行工程转换（和综合）；
• 4.Supra下编译出最终的logic.bin；

下边进入详细描述。

1.在VE里定义引脚和信号关系

这部分和MCU使用是相仿的。

在mcu里，都是mcu信号直接到PIN脚的映射。比如：

那么，在使用cpld里，除了上述的**"mcu信号到Pin脚"** 关联外，还允许**"mcu信号到cpld信号"** 和**"cpld信号到Pin脚"**的两种关联。这里描述的三种关联，是常见的三种信号关联方式。详细使用方法，后续会介绍。

这里需要知道的是，每次VE文件修改完以后，都要重新走一遍整个流程（从prepare LOGIC开始）。

其实不光修改完VE需要重新走一遍流程，有时修改platformio.ini也需要重新走一遍流程（比如，修改管脚数量）。

如果是第一次试验example例程，可以不用修改，使用默认的VE文件即可。

2.生成空的cpld工程

仍然以example（路径：...\AgRV_pio\platforms\AgRV\examples\example）为例建立工程。

在example样例程序中，默认是没有打开自定义ip的。

首先，要通过配置打开自定义ip

方法：在platformio.ini中打开以下两项：

ip_name = analog_ip

logic_dir = logic

注意：这两行去掉注释的时候，前边不要留空格。要顶格写。

打开以上两项并保存文件后，才能在左边栏看到创建logic框架工程的选项（prepare LOGIC）：

点击该功能【Prepare LOGIC】后，可以看到在example工程目录下生成一个logic文件夹，自动生成的文件如下图：

这里生成的logic文件夹，就是空的cpld工程。也是后续编写cpld的模板工程（后续代码在这个基础上添加）。

关于改写文件名：

这里的文件名字，是根据platformio.ini里边的配置项来的：

board_logic.ve = example_board.ve

ip_name = analog_ip

logic_dir = logic

如果想改文件名字，可先在platformio.ini中更改名字，更改后再点生成按钮来自动生成。可更改的名字，就是上边的三项：

board_logic.ve 对应logic文件夹内example_board.v的名字

Ip_name 对应logic文件夹内analog_ip.v的名字

Logic_dir 对应文件夹logic的文件夹名字

在生成后的文件夹内，注意其中的两个.v文件：analog_ip.v和example_board.v。

这两个文件是vlog的源码文件。

其中：

analog_ip.v是一份空的模板，用户自己要实现的功能，就在这个空模板上展开；这个空的模板里边，主要就是module analog_ip的接口定义。

example_board.v是根据工程中example_board.ve里的pin配置，Logic prepare时自动转换出来的v源码，也是supra工程的top module。这部分不要手工改动。

到这里，cpld空工程建立完毕。

注意：

后期修改完VE的配置后，Prepare LOGIC时，会重新生成 cpld工程模板，这个模板文件都仍然存到logic文件夹下，且仍然是这两个.v文件。

只不过analog_ip.v对应新增出analog_ip_tmpl.v文件，而example_board.v则是直接覆盖。

由于analog_ip.v是用户程序的入口，用户程序会从这里开始写。这个文件一定是会修改的。所以，每次prepare LOGIC时，这个文件会对应生成 analog_ip_tmpl.v文件，而不是覆盖。

生成出analog_ip_tmpl.v后，用户要根据自己的情况，把新接口手动合并到analog_ip.v去。
注：这里只是以example来举例。实际应用中，在导出空工程前，需要先配置好platformio.ini的其他项和example_board.ve所需要的引脚。包括：board_logic.device配置32/48/64/100脚。

也就是第一步要做的内容。

3. Quartus下进行工程转换

使用前边安装过的Quartus II软件，打开\example\logic\的工程文件。打开后如图：

这里除了example_board.v和analog_ip.v外，还有个系统的alta_sim.v，这个文件是提供芯片系统的功能，类似函数库，可不用关注。

此时，这个工程是个空的工程，用户要根据需求在analog_ip.v中实现功能。

再次回顾下3个.v文件：

1. analog_ip.v：用户自定义logic的入口。用户logic实现在这里展开；
2. example_board.v：整个logic的top module。会关联analog_ip的module和atla_sim下的各module。不要修改该文件。
3. alta_sim.v：封装过的跟AG32相关的各module。不要修改该文件。

接下来进行空工程的转换和编译。

注意：如果不是很熟练，这里的空工程最好不要马上添加自己的代码。而是应该首先工程转换。

工程转换的目的，是把cpld模板工程真正转换成quartus实际运行的状态。

操作步骤：

打开Quartus的tools->TCL Scripts，如下图所示：

【Run】运行成功后，可以看到该logic占用的资源数量。

这个转换的过程，顺便进行了cpld工程的编译。

上图中斜杠前边标识的大小就是所占的逻辑单元数（后续使用中逻辑单元不能超过2K，严格讲，是2112个逻辑单元）

注意：第一次导入工程，必须执行上图的方式来转换。后续编写和修改cpld代码后，可以仍然执行上图方式，也可以直接点下图的"编译"按钮来编译。

执行到这里，会在logic下生成vo文件出来（在\logic\simulation\modelsim下）。

如果用户有自己的逻辑，可以在这时，把逻辑加入到analog_ip.v中去，并点上图的三角号重新编译。

到这里，Quartus工具的任务也完成了。

接下来打开Supra来继续生成bin文件。

4.Supra下编译出最终的bin

在Supra工具里，打开该工程（\example\logic\）。

然后，点击【左上角Tool】->【Compile】，在弹出的画面中点右下角的【run】。

编译成功后，画面会有提示。

Compile design example_board done with code 0

然后在logic路径下可以看到新编译出来的bin。

这个bin就是要烧录到芯片的cpld.bin。

到这里，supra工具的任务完成。

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至于烧录，重新回到VSCode下烧录logic即可。如下图：

到这里，新建一个空工程、转换、编译、烧录的整个流程描述完毕。

强调：

后续如果在VE里修改过配置，则需要走一个全过程：vscode下prepare LOGIC再生成一遍cpld模板、合并analog_ip_tmpl.v到analog_ip.v中去、启动quartus去转换、supra下编译，回到vscode下烧录logic。

后续如果只是在quartus下编写cpld代码，需要走的几步：quartus下编译、supra下编译、回到vscode下烧录logic。

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五、上述过程中的说明

上述流程中涉及两个比较关键的点：

1. 自定义模块的命名

自定义的逻辑，自定义文件名必须与自定义模块名相同，就是在platformio.ini中设置的ip_name的名字。

这个对应关系，在上述流程点prepare LOGIC自动生成代码时，会自动完成。

如果是手工编辑的逻辑代码，或者对这里的命名进行过改动，会出现后续Quartus中使用的异常。

2. Ve中定义的信号关联

在AG32中，mcu和cpld和外部引脚，三者是相互独立的。

1. mcu用的IO，在ve里，可以关联到外部引脚Pin_xx；
2. cpld用的IO，在ve里，可以关联到外部引脚pin_xx；
3. mcu的某一路信号又可以直接和cpld的某一路信号，在ve里，关联起来；

所以，ve是很关键的一个桥梁。

在ve中定义好以后，运行prepare LOGIC会自动产生cpld的顶层模块的输入输出接口，这些接口就是cpld和mcu与外部引脚关联的信号通路。

这里着重描述下3种情况在VE文件里的定义。

A. mcu和外部引脚的关联

比如，定义gpio到外部引脚：GPIO4_3 PIN_32

比如，定义串口0到外部引脚：UART0_UARTRXD PIN_31

定义格式为：mcu的FunctionName + 空格 + Pin脚ID 。

这部分在 mcu 使用里描述的很多了，不再赘述。

B. cpld和外部引脚的关联

比如，定义led到外部引脚：LED_D3 PIN_32:OUTPUT

定义格式为：cpld信号名称 + 空格 + Pin脚ID:方向

其中，

cpld 信号名称，是自定义名称，这个名称随后可以在 cpld 中引用；

方向，有 3 种：OUTPUT、INPUT 和 INOUT（这个方向是 cpld 对外部引脚来说的）。

方向是可选的，可加可不加。如果不加，则是默认的 INOUT（双向）。

上述定义在 ve 里添加后，执行 prepare LOGIC 命令，在自动生成的 cpld 工程中，可以看到输出到 cpld 顶层模块接口中的 item 如下：

那么，
input BTN_L1 : 是 pin 到 cpld 的信号；
output LED_D2 : 是 cpld 到 pin 的信号；
output LED_D3 : 是 cpld 到 pin 的信号；

然后在 cpld 代码中操作 LED_D3 这个信号的高低，最终操作的 PIN_32 管脚的高低。

（注：VE 里每行最后定义的方向是可选的）

C. mcu和cpld之间的关联

比如，定义 gpio 信号到 cpld：GPIO4_1 iocvt_chn

比如，定义串口 1 的 tx 信号到 cpld：UART1_UARTTXD txd_chn

定义格式为：MCU的FunctionName + 空格 + cpld信号名称

其中，

这里的 FunctionName，同 1 中的 FunctionName，就是 mcu 里的通路定义。更多定义参考《AGRV2K_逻辑设置.pdf》，里边有全部的 mcu 端可用的 FunctionName 列表。

除了 mcu 的 FunctionName（映射到引脚）外，mcu 对 cpld 还开放出更多的内核级通路接口，如：mem_ahb_各通道，dma 各通道，mcu 的 reset 和 stop 等信号，具体定义也参考《AGRV2K_逻辑设置.pdf》。

这里定义后，执行 prepare LOGIC 命令，在自动生成的 cpld 工程中，可以看到输出到cpld顶层模块接口的 item 如下：

对于 iocvt_chn 来说，对应的是没有指定方向的普通 gpio（GPIO4_3）口，则这里生成的信号同时包含有输入 和输出 两种。

注：这里的输入和输出，是相对于 cpld 端来说的。蓝色的 input/output，就是该信号的方向。比如：
output iocvt_chn_in：是 cpld 输出到 mcu 的信号；
input iocvt_chn_out_data：是 mcu 输出到 cpld 的信号；
input iocvt_chn_out_en：是 mcu 输出到 cpld 的信号（en 信号很少用，一般可忽略）；

对于 txd_chn 来说，由于 mcu 的串口 TX 是定义好方向的，是 mcu 的 output 方向。所以在 cpld 里只有两个 item 项：
input txd_chn_out_data：是 mcu 输出到 cpld 的信号；
input txd_chn_out_en：是 mcu 输出到 cpld 的信号（en 信号很少用，一般可忽略）；

如果对普通 GPIO 也设置了方向，则导出到 cpld 的方向也就只有对应方向的信号了。

如：VE 里设置 GPIO4_1 iocvt_chn 为 mcu 的输出：

则prepare LOGIC后生成的item只有input的两项。如下：

注意：在mcu和cpld信号连接中，mcu的output就是cpld的input。

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到这里，第一部分（mcu+cpld使用的概念和流程）描述完毕。

下个章节，第二部分，将以样例为基础，描述mcu+cpld在具体使用中怎么体现。