试用手记：为国产FPGA正名(五外扩SFR使用)

试用手记：为国产FPGA正名(五，外扩SFR使用)关键词：FPGA,国产,国产FPGA,试用特权同学

题记：本以为这个国产FPGA的就此夭折，没想到权衡之后，在性能打些折扣的情况下还是重新捡起来了。从刚接触这个器件的时候特权同学就很关心它的硬核可扩展性，Avalone接口用上手了，当然很希望这个51硬核也能够提供类似的强大扩展接口。不过话说回来，毕竟是个8位的核，再强大也不到哪去，但在花了点心思琢磨了这个小玩意的扩展方式后，多少觉得还是有点花头的。

SFR，即特殊功能寄存器。SFR是8051单片机内部用于访问控制各种片上集成外设的主要寄存器，如常见的IO口（P0/P1/P2/P3）读写、IO中断配置、定时器配置、串口外设等。因此，对一般用户而言，玩转8051就是玩转SFR的过程。一般的单芯片8051单片机的SFR接口不对外开放，除了部分寄存器内部使用外，余下地址空间保留。而Astro器件的这颗8051硬核将空置的SFR地址空间开放给用户，提供了专门的对外接口时序。

特权同学将关于Astro器件SFR相关的特性整理如下：

●

可寻址空间0x80~0xff。

●

部分地址空间已被8051内部使用。

●

16个地址空间（能被8整除的地址如0x80、0x88、0x90、…0xf8等）可位寻址。

●

最多支持49个8051核外可用SFRs，除核内已占用的地址，余下地址空间均为用户可用的核外SFRs。

●

外部SFR接口含有等待状态寄存器（主要由sfack信号控制实现），允许8051内核与较慢的外设连接。

●

外部SFR读写时序如图1所示。2011-5-2511:44:13上传下载附件(73.48KB)

图1

为了简单的评估8051硬核的SFR扩展功能的性能，特权同学做了一些测试。

测试1：SFR可用性测试

简单的用逻辑模拟一个SFR可访问的外部寄存器，该寄存器只使用低四位，对应控制4个外部LED的亮暗。以此验证核外SFR的可用性。

对于8051硬核而言，如果开启核外SFR功能，提供了如下接口（与前面给出的波形图对应）：

//ExternalSpecialFunctionRegistersinterface

output[7:0]sfrdatao;

//8051写数据

output[6:0]sfraddr;

//8051访问地址

input[7:0]sfrdatai;

//8051读数据

outputsfrwe;

//8051写SFR使能信号，高电平有效

outputsfroe;

//8051读SFR使能信号，高电平有效

SFR从机的逻辑接口代码如下：

reg[3:0]ledr;

//LED指示灯对应的SFR

always@(posedgeclk_50mornegedgerst_n)begin

if(!rst_n)ledr<=4'h0;

elseif(sfrwe&&(sfraddr==7'h78))ledr<=sfrdatao[3:0];

//8051往地址为0xf8的SFR写数据，将数据锁存到ledr寄存器中

end

assign{led3,led2,led1,led0}=ledr;

软件编程时，需要在工程中做一个新的sfr定义：

//自定义SFR

sfrLED=0xf8;

//低4bit控制LED亮暗

编写函数实现SFR控制的流水灯：

voidmain(void)

{

while(1)

{

LED=0x1;

delay(500);

LED=0x2;

delay(500);

LED=0x4;

delay(500);

LED=0x8;

delay(500);

}

}

实验结果证明功能可行，达到预期。这个SFR功能的使用还是蛮简单的。

为了验证写功能，基本思路是想针对板载4个按键做一个SFR寄存器，专供8051内核读取当前按键值，然后把该值分别赋给4个LED（在前面测试的基础上执行）。添加的逻辑代码：

reg[3:0]keyr;

always@(posedgeclk_50mornegedgerst_n)begin

if(!rst_n)keyr<=4'hz;

elseif(sfroe&&(sfraddr==7'h79))keyr<={key4,key3,key2,key1};//8051从地址为0xf9的SFR读出数据

elsekeyr<=4'hz;

end

assignsfrdatai=keyr;

读时序这个时钟clkcpu应该是8051工作的指令时钟，即8051外部输入时钟的12分频。这个时序图好像不太准确，实际读或写选通高脉冲不会保持一整个指令周期。特权同学测试下来发现用50MHz时钟做从接口，早一个时钟或是晚一个时钟周期送数据都无法使8051读走数据，只有上面给出的代码下时钟送数据才能正常保证8051锁存数据。也就是说，数据必须在读选通期间都保持稳定，早一个时钟周期撤销或是晚一个时钟周期撤销都不行。因此，为了延长数据有效长度，改进如下：

reg[3:0]keyr;

regkeyrden;

always@(posedgeclk_50mornegedgerst_n)begin

if(!rst_n)keyrden<=1'b0;

elseif(sfroe&&(sfraddr==7'h79))keyrden<=1'b1;

elsekeyrden<=1'b0;

end

always@(posedgeclk_50mornegedgerst_n)begin

if(!rst_n)keyr<=4'hz;

elseif(keyrden||(sfroe&&(sfraddr==7'h79)))keyr<={key4,key3,key2,key1};

//8051从地址为0xf9的SFR读出数据

elsekeyr<=4'hz;

end

assignsfrdatai=keyr;

软件编程也很简单：

//自定义SFR

sfrLED=0xf8;

//低4bit控制LED亮暗

sfrKEY=0xf9;

//低4bit对应当前按键值

voidmain(void)

{

while(1)

{

LED=KEY;

}

}

测试2：SFR性能测试

与《国产FPGA试用手记二（51硬核性能测试）》做了类似的测试，验证LED寄存器拉高拉低的速度，和之前的结果一样。也就是说，核外的SFR在不使用等待功能的情况下与核内SFR的操作速度是一样的。

测试3：SFR等待功能验证

在50MHz的clkcpu下，