很多朋友在學(xué)習(xí)FPGA的時候會發(fā)現(xiàn)模塊劃分很令人頭大，今天我就通過明德?lián)P溫度檢測工程來與大家分享一下本人的劃分思路。

明德?lián)P溫度檢測工程是基于FPGA的一個實用項目，可以在明德?lián)P的MP801開發(fā)板上進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)。本工程功能雖小，但基本上涉及了FPGA的常見功能，如接口傳輸、指令解析、外設(shè)的控制等，是比較好的入門工程。

一、模塊劃分要點總結(jié)

1、列出項目的功能要求(客戶提出的產(chǎn)品功能要求)

2、畫出硬件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(添加外設(shè))

3、框圖中每個外圍接口都對應(yīng)有一個接口轉(zhuǎn)換模塊

接口轉(zhuǎn)換模塊的作用是將外圍器件的接口時序轉(zhuǎn)為通用的接口時序，或者將通用接口時序轉(zhuǎn)換為外圍器件接口時序，這樣使得FPGA內(nèi)部其他模塊不用再關(guān)心外圍接口的時序了。

MDY規(guī)范通用接口時序：

data以及對應(yīng)的vld，傳輸單個數(shù)據(jù)格式

MDY的包文格式，din，vld，SOP，EOP，MTY，ERR

wren，waddr，wdata;rden，raddr，rdata，rdata_vld

4、考慮是否涉及指令系統(tǒng)(操作碼+數(shù)據(jù)格式)

上位機(jī)，例如PC，ARM，DSP或者其他的器件，只涉及到一個接口，但是卻有很多指令或者命令功能要發(fā)送，因此就需要一個指令系統(tǒng)。

指令系統(tǒng)一定會涉及到命令、地址和數(shù)據(jù)。這種情況，肯定會有一個“寄存器解析模塊”，根據(jù)命令、地址和數(shù)據(jù)，改變相應(yīng)的寄存器的值。

5、考慮外圍器件是否涉及寄存器配置

項目中有某些外設(shè)，上電工作前需要進(jìn)行配置才能按要求工作。因此需要對外設(shè)內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫，這一流程是通過FPGA來進(jìn)行配置。

遇到這個情況，使用MDY推薦的模塊寄存器配置結(jié)構(gòu)：

寄存器配置表模塊+寄存器讀寫配置模塊+外設(shè)配置接口時序轉(zhuǎn)換模塊

6、根據(jù)實際情況，增加、補充或者拆分，優(yōu)化對應(yīng)模塊，隨時調(diào)整

原則：根據(jù)接口信號，看模塊間是否方便對接。接口就決定了模塊功能。所以在這一層的調(diào)整，一定要清楚接口的定義。

7、考慮是否涉及多路進(jìn)一路出，要用FIFO

調(diào)度FIFO要考慮自身帶寬能否滿足多路一起突發(fā)發(fā)送時的數(shù)據(jù)量情況。如果帶寬不滿足，就要要輸出給上游模塊RDY信號。此時RDY信號有效取決于自己設(shè)置FIFO的Almost Full信號。如果帶寬滿足則不必設(shè)RDY信號。

8、考慮是否涉及到速率匹配問題，要加上RDY信號或者FIFO

首先考慮與外圍器件通信的接口上是否需要rdy信號(FPGA內(nèi)部運行頻率往往與設(shè)接口速率不一致)，然后考慮FPGA內(nèi)部模塊間數(shù)據(jù)帶寬是否不一致，有等一等的情況。

二、溫度檢測案例分析

接下來根據(jù)上面的總結(jié)的要點，通過實際項目案例來分析一下FPGA內(nèi)部功能模塊是怎樣劃分的。這里我們選取已經(jīng)做過的溫度檢測項目，接下來按照上面總結(jié)的模塊劃分步驟，一步步完成模塊初步劃分!

1.列出項目的功能要求

本項目功能要求：上位機(jī)通過發(fā)送一系列不同命令給FPGA，F(xiàn)PGA接收到指令后執(zhí)行各個指令對應(yīng)的操作。同時將DS18B20采集到的溫度值實時在數(shù)碼管上實時顯示出來并傳給上位機(jī)。要求上位機(jī)可以發(fā)送命令設(shè)置報警溫度上限和下限值。當(dāng)溫度值超過溫度上限或者下限，蜂鳴器就開始鳴響。可以發(fā)送命令關(guān)閉或打開數(shù)碼管顯示。

功能分析：

上位機(jī)發(fā)送命令給FPGA(開關(guān)數(shù)碼管顯示、開關(guān)蜂鳴器、復(fù)位溫度傳感器、開啟溫度轉(zhuǎn)換，讀轉(zhuǎn)換后溫度值、設(shè)置報警溫度上限下限值);

讀寫DS18B20;

數(shù)碼管顯示;

數(shù)碼管顯示開關(guān)控制;

計算溫度值;

將計算后的溫度值發(fā)送給上位機(jī);

設(shè)置溫度上限、下限;

蜂鳴器開關(guān)控制。

2.畫出硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)步驟1總結(jié)出的功能要求，找到除FPGA外需要哪些外圍器件。

外圍器件總共需要四個：

PC

數(shù)碼管

溫度傳感器DS18B20

蜂鳴器

畫出系統(tǒng)框圖如下所示：

3.框圖中每個外圍接口都對應(yīng)有一個接口轉(zhuǎn)換模塊

首先要思考PC與FPGA通信需要哪種方式?

上位機(jī)PC與FPGA通信既有發(fā)送也有接收，由于PC發(fā)送命令給FPGA的速度慢于FPGA回傳溫度值給PC的速度，所以上位機(jī)PC與FPGA通信接口速度取決于FPGA回傳溫度值給PC的速度。

查閱手冊如上圖所示，得知DS18B20轉(zhuǎn)換一次采集的溫度值需要750ms。所以FPGA與上位機(jī)通信接口速率大于750ms就不會丟傳數(shù)據(jù)。因此選用串口作為上位機(jī)與FPGA的通信接口足夠滿足要求了。

數(shù)碼管段選位選接口模塊：完成數(shù)碼管位選和段選的輸出

DS18B20單bit轉(zhuǎn)換接口模塊：DS18B20是單總線協(xié)議，只支持1bit數(shù)據(jù)傳輸，所以需要將MDY規(guī)范接口轉(zhuǎn)換為1bit

蜂鳴器開關(guān)使能接口模塊：完成蜂鳴器開關(guān)使能

將串口接口轉(zhuǎn)換模塊功能細(xì)分為“串口接收串轉(zhuǎn)并模塊”和“串口發(fā)送并轉(zhuǎn)串模塊”，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為符合MDY規(guī)范的接口。如下圖所示：

4.考慮是否涉及指令系統(tǒng)

本項目涉及指令系統(tǒng)，上位機(jī)需要發(fā)送指令給FPGA，進(jìn)而配置溫度傳感器，配置溫度報警上限和下限值，同時可以發(fā)送指令控制數(shù)碼管顯示關(guān)閉，蜂鳴器開關(guān)。因此，系統(tǒng)框圖中需要加入“寄存器解析模塊”，如下圖所示：

5.考慮外圍器件是否涉及寄存器配置

本項目中，DS18B20需要配置內(nèi)部寄存器，但是本項目并沒有采用MDY模板的方式(讀取配置寄存器表的方式來對DS18B20進(jìn)行配置)，而是通過上位機(jī)發(fā)送配置命令，解析配置寄存器值再對DS18B20進(jìn)行配置。

6.根據(jù)實際情況，增加、補充或者拆分獨立對應(yīng)模塊，隨時調(diào)整

到第6步，根據(jù)數(shù)據(jù)流向，需要對模塊間的接口進(jìn)行詳細(xì)分析了，補充模塊或者將功能相同的模塊合并。

首先，從串口接口方向思考，

接收到的數(shù)據(jù)是上位機(jī)發(fā)來的ASCII碼，為了方便FPGA對指令解析，需要將ASCII碼譯碼，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的十六進(jìn)制。因此需要一個ASCII碼轉(zhuǎn)8bit十六進(jìn)制模塊;

接下來，需要對接收包文的包頭進(jìn)行檢測，符合正確包頭條件的包文保留，否則丟包處理。所以需要一個包頭檢測模塊，用來過濾接收到的有效包文;

經(jīng)過寄存器解析模塊后，會將指令解析出來，根據(jù)指令功能要求可能分別發(fā)送給DS18B20、數(shù)碼管顯示開關(guān)控制模塊、數(shù)碼管段選位選接口模塊、蜂鳴器控制接口模塊;

寄存器解析模塊發(fā)送過來的是8bit數(shù)據(jù)，不能直接發(fā)送給DS18B20(18B20只接收單bit)，所以在寄存器解析模塊和單總線轉(zhuǎn)換接口模塊之間需要一個8bit轉(zhuǎn)換為1bit模塊;

溫度報警功能需要做判斷實時溫度是否大于上限值，是否小于下限值。所以需要一個實時溫度值比較判斷模塊;

然后，從DS18B20方向思考;

采集到的溫度數(shù)據(jù)，通過單bit接口轉(zhuǎn)換模塊傳給FPGA的是單bit數(shù)據(jù)，為了后面方便FPGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，需要將1bit轉(zhuǎn)換為8bit。所以需要一個1bit轉(zhuǎn)8bit模塊;

8bit溫度數(shù)據(jù)需要經(jīng)過計算處理，因此需要一個數(shù)據(jù)處理模塊;

上位機(jī)只顯示ASCII碼格式數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)溫度值在上位機(jī)上能顯示，需要將8bit溫度值轉(zhuǎn)換為ASCII碼，所以需要一個8bit十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼模塊;

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果是十六進(jìn)制，而數(shù)碼管顯示的是BCD碼，為了實現(xiàn)數(shù)碼管上顯示正確數(shù)據(jù)，因此需要一個十六進(jìn)制轉(zhuǎn)BCD碼模塊。

完善后如下圖所示：

接下來將功能互斥、數(shù)據(jù)流向相關(guān)，接口一致的模塊做合并化簡處理，如下圖所示：

7.考慮是否涉及多路進(jìn)一路出，要用FIFO

本項目數(shù)據(jù)流方面沒有涉及多路進(jìn)一路出的問題，不需要考慮此處的FIFO問題。

8.考慮是否涉及到速率匹配問題，要加上RDY信號或者FIFO

本項目涉及速率匹配問題。

首先考慮與外圍器件通信的接口上是否需要rdy信號。

與DS18B20通信是通過寄存器解析模塊解析出對DS18B20的操作指令，發(fā)送給8bit轉(zhuǎn)1bit模塊，因此需要考慮DS18B20能否時刻響應(yīng)操作指令?

這個問題在選擇上位機(jī)與FPGA的通信接口時，已經(jīng)考慮過了，串口的速率小于FPGA寫DS18B20速率的。

查閱手冊得知，寫一次1bit的數(shù)據(jù)給18B20需要63us，8bit需要63*8=504us，小于串口發(fā)送一次8bit指令給FPGA時間1000000us/9600*8=833us。

所以串口接收數(shù)據(jù)通路上不需要考慮緩存FIFO問題。

在單總線1bit接口轉(zhuǎn)換模塊中，由于寫DS18B20時序速率遠(yuǎn)小于FPGA內(nèi)部讀寫頻率，需要告知8bit轉(zhuǎn)1bit模塊每寫1bit數(shù)據(jù)要等一等，待時序滿足發(fā)送完1bit時序要求后，再發(fā)送新的1bit數(shù)據(jù)。所以在單bit接口轉(zhuǎn)換模塊與8bit轉(zhuǎn)1bit模塊間需要設(shè)rdy信號。

接下來考慮一下串口發(fā)送端。由于串口發(fā)送模塊進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換需要時間，因此串口發(fā)送模塊需要告知上游十六制轉(zhuǎn)ASCII碼模塊等一等，因此在串口發(fā)送模塊與十六進(jìn)制轉(zhuǎn)ASCII碼模塊間需要設(shè)rdy信號。

由于串口發(fā)送模塊并串轉(zhuǎn)換需要等待，從而導(dǎo)致十六進(jìn)制轉(zhuǎn)ASCII碼模塊也需要緩存control模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)。因此十六進(jìn)制轉(zhuǎn)ASCII碼模塊中需要引入FIFO。

最終得到的模塊圖如下所示：

到此，根據(jù)模塊劃分步驟一步步做下來，溫度檢測工程的模塊劃分雛形初步已經(jīng)完成。具體實踐中需要根據(jù)FPGA內(nèi)部信號的調(diào)整，隨時拆分或獨立來增減功能模塊。

審核編輯：湯梓紅