FPGA实现多通道数据整形器(MCDF)verilog设计(一)——通道从端模块 (slave_fifo)-FPGA CPLD资料源码分享社区-FPGA CPLD-ChipDebug

FPGA实现多通道数据整形器(MCDF)verilog设计(一)——通道从端模块 (slave_fifo)

文章目录

  • 一、MCDF设计要求
  • 二、通道从端模块 (slave_fifo)
    • 1、原理分析
    • 2、设计思路
    • 3、结果分析

一、MCDF设计要求

多通道数据整形器MCDF(Multi-Channel Data Formatter),将多个通道的上行(umlink)数据经过内部的FIFO以数据包(data packet)的形式送出。其结构如下图所示。
MCDF设计结构
相关外部接口说明如下:
(1)系统信号接口
clk :时钟信号
rst_n :复位信号,低电平有效
(2)通道从端(slave)接口(x=0, 1, 2)
chx_data[31:0] :通道数据输入
chx_valid :通道数据有效指示信号,高电平有效
chx_ready :通道数据接收信号,高电平表示接收成功
(3)整形器(formatter)接口信号
fmt_chid[1:0] :整形数据包的通道ID号
fmt_length[5:0]:整形数据包长度信号
fmt_req :整形数据包发送请求
fmt_grant :整形数据包被允许发送的接收指示
fmt_data[31:0] :数据输出信号
fmt_start :数据包起始指示信号
fmt_end :数据包结束指示信号
(4)控制寄存器(control register)接口
cmd[1:0] :寄存器读写命令
cmd_addr[7:0] :寄存器地址
cmd_data_i[31:0] :寄存器写入数据
cmd_data_o[31:0] :寄存器读出数据

 


二、通道从端模块 (slave_fifo)

1、原理分析

一个通道从端包括图1中的slaveX及FIFOX(X=0,1,2)。其中FIFO深度为64。在设计该模块时,将slave和FIFO放在了一起。通道从端从外部接口接收数据,当接收到一个完整的数据包后,则向arbiter发出发送请求。若请求信号得到响应,则开始发送,直至整个数据包全部发送完成后,再根据情况确定是否发出发送数据请求。
slave_fifo模块相关的接口定义如下:

信号名称 方向 功能 备注
clk_i input Clock input 系统信号
rstn_i input low level effective reset 系统信号
chx_data_i[31:0] input Data input 外部接口
chx_valid_i input Data is valid From outside 外部接口
chx_ready_o output Ready to accept data 外部接口
slvx_en_i input Write enable To FIFO Control register接口
margin_o[5:0] output Data margin Control register接口
slvx_data_o[31:0] output Data Output to arbiter Arbiter
slvx_val_o output Data valid to Arbiter Arbiter
slvx_req_o output Required send data to arbiter Arbiter
a2sx_ack_i input Read acknowledge Arbiter

该模块的接口时序如下:
如下图所示。当chx_valid信号为高时,表示写入数据有效。此周期chx_data应给出要写入的数据。若该时钟周期chx_ready为高,则表示已经将数据写入。若此时钟周期chx_ready信号为低,则表示数据还未写入,需要等待chx_ready为高时才将数据写入。
注意:后面其它模块的xx_valid及xx_ready时序均与该图中相同。

通道从端接口时序

2、设计思路

对于chx_ready_o信号,当通道从端中的FIFO未满且通道使能信号为1(即通道可输入数据)时,我们认为通道从端此时可以接受数据,对应的chx_ready_o信号置1。同时当内部的FIFO非空时,我们认为此时即可向arbiter发送数据,slvx_req_o信号置1。

//ready signal
always @ (*) 
  begin
    if (!full && slvx_en_i) 
      chx_ready_o = 1'b1;
    else
      chx_ready_o = 1'b0;
  end

//required send signal
always @ (*) 
  begin 
    if (!rstn_i) 
      slvx_req_o = 1'b0;
    else if (!empty) 
      slvx_req_o = 1'b1;
    else 
      slvx_req_o = 1'b0;
  end

 

对于FIFO的读写指针,则参考同步FIFO的设计。当输入数据有效且通道从端ready时,此时写入一个数据,写指针+1。当arbiter发来的a2sx_ack_i(此处是内部信号rd_en)有效且内部FIFO非空时,读出一个数据,此时读指针+1。

//write pointer increase
always @ (posedge clk_i or negedge rstn_i)
  begin
    if (!rstn_i) begin
      wr_pointer <= 1'b0;
    end 
    else if (chx_valid_i && chx_ready_o) begin
      wr_pointer <= wr_pointer + 1'b1;
    end
  end

//read pointer increase
always @ (posedge clk_i or negedge rstn_i)
  begin
    if (!rstn_i) begin
      rd_pointer <= 1'b0;
    end 
    else if (rd_en && (!empty)) begin
      rd_pointer <= rd_pointer + 1'b1;
    end
  end

 

当内部FIFO非空时,此时读出的数据就记为有效,slvx_val_o信号置1。

//data output is vaild 
always @ (posedge clk_i or negedge rstn_i)
  begin
    if (!rstn_i) 
      slvx_val_o <= 1'b0;
    else if (rd_en &&(!empty))
      slvx_val_o <= 1'b1;
    else 
      slvx_val_o <= 1'b0;
  end

 

对于FIFO的数据读写,也是参考同步FIFO的设计。当输入数据有效且通道从端ready时,此时写入一个数据,将对应的数据写进FIFO。当arbiter发来的a2sx_ack_i(此处是内部信号rd_en)有效且内部FIFO非空时,将写入FIFO中的数据读出,送到slvx_data_o。保证先进先出的顺序进行读写。

// Memory Read  
always  @ (posedge clk_i )
  begin 
    if (rstn_i && rd_en && (!empty)) begin
      slvx_data_o <= mem[rd_pointer[5:0]];
    end
  end

// Memory Write  
always @ (posedge clk_i)
  begin 
    if (rstn_i && chx_valid_i && chx_ready_o && slvx_en_i) begin
      mem[wr_pointer[5:0]] <= chx_data_i;
    end
  end

 

最后是一些变量以及端口信号的赋值。对于空满信号,认为当写指针和读指针相同,即读指针追上写指针的时候,FIFO为空;当写指针已经绕过一圈,从第二圈开始追上读指针时,认为FIFO此时已被写满。margin_o信号为内部FIFO的余量,通过读写指针的位置来判断。

assign full = ({~wr_pointer[6],wr_pointer[5:0]}==rd_pointer);
assign empty = (wr_pointer == rd_pointer);
assign data_cnt = (7'd64 - (wr_pointer - rd_pointer));
assign margin_o = data_cnt;
assign rd_en = a2sx_ack_i;

 

3、结果分析

由下图可以看出,仿真开始时,rstn_i复位信号低电平有效,slvx_data_o输出为不定值,此时ready、valid、req信号也都为0,margin_o显示为0(实际上是7’b100_0000,代表FIFO余量为64,此处由于margin_o为6位信号,故为6’b00_0000)。10ns后,当复位信号重新置1,通道从端开始进入工作状态。一开始,由于将slvx_en_i信号置1,所以通道从端是处于读取数据的状态,此时chx_ready_o信号置1,将chx_data_i送过来的数据送入内部的FIFO,但此时a2sx_ack_i信号为0,因此写入的数据并不被读出,输出依旧为不定值。当写入第一个数据的下一个时钟上升沿到来后,slvx_req_o信号开始置1,表明请求向arbiter发送数据,此时margin_o也开始实时更新内部FIFO的余量。
通道从端只写时的仿真波形
由下图可以看出,在仿真一段时间后,将a2sx_ack_i信号置1,意味着告诉通道从端,数据可以被读出了,此时我们可以看到之前按照一定顺序写入的数据被正确地依次读出,送到slvx_data_o进行输出,与此同时,slvx_val_o信号也置1,表明该数据有效可以被接收。注意由于是同步FIFO,所以此时margin_o信号保持不变,即写一个数据就读出一个数据,FIFO余量保持不变。
通道从端读写时的仿真波形
由图5可以看出,在仿真的最后时间,将slvx_en_i信号置0,意味着告诉通道从端,数据不在允许被写入,chx_ready_o信号也置0。此时我们可以看到之前按照顺序写入的数据还在被依次读出,送到slvx_data_o输出。与此同时,slvx_val_o信号和slvx_req_o信号还是为1。但是margin_o信号却在不断增大,由于数据只出不进,此时FIFO的余量在不断增大。
通道从端读写时的仿真波形
由此验证了我们设计的通道从端模块(slave_fifo)的正确性。

 

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