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数字锁相环(DPLL)研究与设计-面向FPGA/数字IC
摘要本文介绍了数字锁相环（DPLL）的研究与设计，包括其原理、组成、实现方法以及性能评估。文章详细阐述了数字锁相环在数字电路中的应用，并重点介绍了数字鉴相器、数字振荡器和数字缓冲器的设计与实现。关键词：数字锁相环, DPLL, FPGA, 数字IC, 频率合成前言 锁相环的原理和组成 数字锁相环的原理和组成 数字鉴相器设计DPD 数字振荡器(DCO) 数字缓冲器(DB) 数字锁相环(DPLL)的实现 电路硬件与性能评估 工程代码下载 前言 随着数字电路技术的发展，数字锁相环在调制解调、频率合成、FM 立体声解码、彩色副载波同步、图象处理等各个方面得到了广泛的应用。数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小、价格低等优点，还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化等缺点，此外还具有对离散样值的实时处理能力，已成为锁相技术发展的方向。 所谓数字PLL，就是指应用于数字系统的PLL，也就是说数字PLL中的各个模块都是以数字器件来实现的，是一个数字的电路。 数字锁相环的优点是电路最简单有效,可采用没有压控的晶振,降低了成本,提高了晶振的稳定性。但缺点是和模拟锁相环一样,一旦失去基准频率,输出频率立刻跳回振荡器本身的频率;另外还有一个缺点,就是当进行频率调整的时候，输出频率会产生抖动，频差越大，抖动会越大于密，不利于某些场合的应用。随着大规模、超高速的数字集成电路的发展，为数字锁相环路的研究与应用提供了广阔空间。由于晶体振荡器和数字调整技术的加盟，可以在不降低振荡器的频率稳定度的情况下，加大频率的跟踪范围，从而提高整个环路工作的稳定性与可靠性。 简单的说有两个不同来源的信号：一个信号是参考信号，这个信号一般是由芯片的晶振得到的信号，它具有信号的稳定性较好等优点，但是其频率是固定不变的。另一个信号是由芯片或者模块内部的压控振荡器得到的。这种由压控振荡器得到的信号可以是某范围内的任意频率的信号，但是这种信号的稳定型较差，容易受到外界干扰。 那么在实际使用过程中，我们需要一种频率能够变化的，同时质量较好的信号；或者对于一块芯片，我们需要不同的模块的内部时钟（这种时钟可以是压控振荡器产生）都能参考一个总的时钟来进行同步，从而避免两个模块内部时钟的差异而产生的数据传输的漂移等问题。因此，如何将压控振荡器得到的信号能够具有晶振信号的信号质量呢？ 那就是通过PLL锁相环来实现，如图1所示。只要压控振荡器产生的时钟（下称输入信号）是参考信号的整数倍（或者整除倍），那么就能将输入信号先进行分频，后得到与参考信号频率相同的时钟，将分频后的信号和参考信号进行比较，从而使分频后的信号和参考信号保持相同的稳定的频率和相位。被分频后的信号稳定，也就是间接的表示输入信号的稳定。从而我们得到了一个频率在一定范围内可变的稳定的信号。 有上述可以看出，锁相环具有以下功能： （1）能够将一个信号和另一参考信号同步； （2）当这个信号是输出信号分频后得到的信号，PLL就能够得到参考信号的倍频信号（实际上倍频器很多都是利用了这个功能）； （3）当输入信号频率可变、分频系数可变时，PLL就能够得到在频率一定范围内稳定信号。 图片 锁相环的原理和组成 锁相环（PLL）的作用我们已经大概了解了，其最主要功能的实现，是在于如何将两个频率不同、相位差始终在变化的信号，变成两个相同频率、相同相位的信号。 这里引入一个概念，首先我们都知道，对于三角函数，只有两个同频率的三角函数才能比较其相位差。但这里的相位差是指两个正弦函数的初始相位差。而实际上根据三角函数的欧拉定义的理解来看，我们可以把三角函数看做是在某个圆上逆时针运动的点到x轴的距离。那么频率就是点在圆上运动的角速度，频率越大，其运动的角速度越大。相位就是点在圆上的位置，而初始相位就是点在圆上开始运动时的位置。当两个点的运动角速度相同时，我们可以得到两个点的初始位置差，就是两个正弦函数频率相同时，得到初始相位差。这个差值在运动过程中一直是不变的。但是当两个点运动角速度不同时，我们去看它的初始位置差是没有意义的，因为两个点的位置差是一直在变的，而初始位置差只是一个开始的位置差，是个不变的量，所以说对于频率不同的三角函数，我们讨论起初始相位差是没有意义的。但是不代表不能比较某一时刻两个点的位置。也就是相位差，相位是存在的。 图片 现在我们假设两个点在圆上赛跑，如图3所示，我们想让这两个点角速度相等。那么有一个办法就是以一个点为参考，参考点角速度不变，另一个点是速度可变点。每过一段时间，观察另一个点到参考点的位置，是在前，还是在后。如果在前，就让另一个点速度慢一点；如果在后，就让另一个点速度快一点。就这样不断调整另一个点的角速度，直到每次观察两个点都处于相同的位置。这样我们就可以认为这两个点达到了相同的速度。这种方法就是利用反馈调节来实现两个信号的同频同相。也就是锁相环（PLL）的实现原理。 首先通过一个鉴相器来得到两个信号之间的相位差。并根据相位差输出电压信号。然后通过滤波器稳压后得到稳定的电压信号，该信号驱动压控振荡器得到新的频率的信号。当两个信号存在相位差时，电压信号就会改变，从而使受控信号不断变化。直到当两个信号没有相位差时，电压信号不再改变，从而使受控信号保持当前频率，这时，受控信号不再变化了，就叫做受控信号被锁定了。 由上所述，一个锁相环由鉴相器、滤波器、振荡器三部分组成。外部输入是参考信号，内部输入和总的输出是受控信号。 数字锁相环的原理和组成 在数字电路中，原来模拟信号正弦波、余弦波的频率和相位变成了0和1的脉冲信号，那么我们如何理解数字信号中的频率和相位呢？对于脉冲信号来说，我们可以把频率理解为在某固定时间内脉冲出现的个数，为了方便表示，我们把上升沿的出现视为脉冲的出现，把相邻两个脉冲出现的时间t求倒数，就得到了该信号在这个时刻处的信号频率。而对于相位，相位差就是指，存在两个脉冲信号，以一个脉冲信号为参考，在其出现脉冲后，到另一个信号出现脉冲之间的时间差就是相位差，当另一个信号脉冲晚于参考信号脉冲出现的时间，称之为另一个信号的相位滞后于参考信号。当另一个信号的脉冲出现在参考信号之前，称之为另一个信号的相位提前于参考信号。 上述是一种较为简单的描述方式，适合初识脉冲信号的读者理解。而实际上，对于脉冲信号的频率、相位等问题，严格来说这样理解有一点点问题，但是对于我们来搭建数字锁相环DPLL来说足够了。其实这种三角函数和信号之间的转化，其根本的原理来源于傅里叶变换，从而我们对一个时间域上的信号（例如脉冲信号）可以进行频率域（其代表的三角函数的合成）上的分析。 我们知道了在数字电路中，脉冲信号也有了频率和相位的属性。那么我们的参考信号是以来时钟源的固定频率的信号，因为信号的质量比较好，所以该信号两个脉冲之间的时间差均是相同的，误差很小。我们在参考信号出现上升沿时，观察受控信号此时的状态。如果受控信号为高电平，我们就认为此时受控信号超前于参考信号；反之，如果受控信号是低电平，则认为此时的受控信号滞后于参考信号。当出现超前状态时，鉴相器会输出一个超前信号，超前信号会作用于振荡器，使得振荡器发出的受控信号频率降低。而滞后信号会使振荡器发出的受控信号频率升高，从而实现受控信号频率的反馈调节。 如图4所示，当参考信号出现上升沿时，受控信号为低电平，此时输出一个滞后信号。（由于模块只在时钟为上升沿时触发，所以超前信号的触发延迟了半个时钟周期） 图片 由此我们能够大概了解了数字锁相环中如何看待脉冲信号的频率和相位，如何处理得到相位差以及相位差如何在锁相环中起作用来实现信号频率的反馈控制。同模拟的锁相环（PLL）类似，数字锁相环（DPLL）也是由：数字鉴相器（Digital Phase Detector）、数字缓冲器（Digital Buffer）、数字振荡器（Digital Controlled Oscillator）三个模块构成，其外部输入为参考信号，内部输入和输出为受控信号。下面我们就来具体讨论如何用verilog实现各个模块。 数字鉴相器设计DPD 实现一个数字锁相环（DPLL），最重要的部分就是实现数字鉴相器（DPD）和数字振荡器（DF）。并且，这两个模块并不是独立存在的，而是说，数字振荡器的实现方式和数字振荡器的实现方式相互影响。所以只有两个模块共同设计，才能较好的实现一个数字锁相环的功能。 首先我们来具体讨论一下一个数字鉴相器应该具有那些功能和特性： 顾名思义，数字鉴相器就是能够鉴别两个数字信号相位的差别，并通过信号将这种差别表示出来。由上文我们已经知道了，对于两个矩形方波信号，其相位差可以看做是两个信号先后出现上升沿（或下降沿）之间的时间差。为了方便表示，假设以其中一个信号作为参考信号，另一个信号为受控信号，当参考信号出现上升沿（或下降沿）时，观察另一个信号是否已经出现了上升沿（或下降沿）。 如果还未出现上升沿（或下降沿），则叫做“受控信号滞后于参考信号”，或者简称“滞后”；如果已经出现了上升沿（或下降沿），则叫做“受控信号提前于参考信号”，或者简称“提前”。 而判断上升沿（或下降沿）是否已经出现，方法就是看当参考信号出现上升沿时，受控信号是1还是0：当受控信号为0，表示上升沿还没出现，所以是“滞后”；当受控信号为1，表示上升沿已经出现，所以是“提前”。对于下降沿也是按照同样的方法考虑。 图片 目前为止，我们已经有两个输入，参考信号和受控信号；两个输出，滞后信号和提前信号。如何通过verilog实现上述的输入输出关系呢？首先先讲异或与门，通过图4的描述，我们可以很容易看出来：滞后信号是参考信号与受控信号先异或，异或的结果和受控信号相与得到；提前信号是参考信号与受控信号先异或，异或的结果和参考信号相与得到。再加上一个RST的复位信号，我们可以得到如下图5电路： 图片 根据这个关系，来调节受控信号的频率，从而使受控信号的频率和参考信号最终相同。 再考虑，如果按照上述方法调节，当受控信号和参考信号频率相差很大时，就会出现刚开始有一段时间，受控信号的频率是不断变化，不可预知的。这样的调节效果实时性并不好，需要时间来稳定。因此读者想到，如果能够在参考信号出现上升沿时，就让受控信号也出现上升沿，相当于两个人在赛跑时，当一个人从起点出发时，无论另一个人在哪，强制让另一个人也回到原点，两个人一起从原点出发。这样就能使受控信号和参考信号强制达到相同的频率，只是此时受控信号的占空比不是50%。然后再根据滞后和提前信号，调节受控信号的占空比，从而最终达到50%的占空比。 按照这种方法，鉴相器就需要一个信号输出来表示上升沿的出现。再考虑到电路中的总的时钟源，我们这里采用触发的方法来实现。同时将上述的异或与门加入到代码中可以得到数字鉴相器的代码。但是在实际运用过程中发现，可能存在着受控信号先出现上升沿，从而过早的出现了提前或者滞后信号，导致数字振荡器的计数器上限呈现一个周期变化的不可控的数值的情况。为了避免这种情况，需要仔细考虑参考信号和受控信号如何生成提前和滞后信号这个问题，而不是简单的用异或来实现。如图6表示这种关系。 图片 按照上述代码写出来的数字鉴相器，具有更好的性能。根据这个表格，通过类似状态机的方法，来实现提前信号和滞后信号的输出。 此外异或门配合D触发器方式也可以实现鉴相器效果仍可应用于本设计中。示例代码如下： module DPD_2 ( input reference_signal, // 参考时钟输入（来自外部晶振或基准源） input controlled_signal, // 反馈时钟输入（来自VCO分频后的时钟） input rst, // 异步复位信号，高电平有效 input clk, output reg lead_signal_wire, // 相位超前指示信号（输出到电荷泵） output reg lag_signal_wire, // 相位滞后指示信号（输出到电荷泵） output bothEdge ); // 延迟寄存器：用于检测两个时钟的到达顺序 reg ref_flag, fb_flag; reg ref_nflag, fb_nflag; reg lead_signal,lead_signal_n; reg lag_signal,lag_signal_n; reg reference_signal_d1,reference_signal_d2; reg controlled_signal_d1,controlled_signal_d2; wire bothEdge_fb; reg fb_flag_d1,fb_flag_d2,fb_nflag_d1,fb_nflag_d2; reg ref_flag_d1,ref_flag_d2,ref_nflag_d1,ref_nflag_d2; always @(posedge clk or negedge rst) begin if(!rst) begin reference_signal_d1 <= 'd0; controlled_signal_d1 <= 'd0; fb_flag_d1 <= 'd0; fb_flag_d2 <= 'd0; fb_nflag_d1 <= 'd0; fb_nflag_d2 <= 'd0; ref_flag_d1 <= 'd0; ref_flag_d2 <= 'd0; ref_nflag_d1 <= 'd0; ref_nflag_d2 <= 'd0; end else begin reference_signal_d1 <= reference_signal; reference_signal_d2 <= reference_signal_d1; controlled_signal_d1 <= controlled_signal; controlled_signal_d2 <= controlled_signal_d1; fb_flag_d1 <= fb_flag; fb_flag_d2 <= fb_flag_d1; fb_nflag_d1 <= fb_nflag; fb_nflag_d2 <= fb_nflag_d1; ref_flag_d1 <= fb_flag; ref_flag_d2 <= ref_flag_d1; ref_nflag_d1 <= ref_nflag; ref_nflag_d2 <= ref_nflag_d1; end end assign bothEdge = reference_signal & (~reference_signal_d1); wire bothEdge_n; assign bothEdge_n = (~reference_signal) & reference_signal_d1; // assign bothEdge_fb = controlled_signal & (~controlled_signal_d1); wire bothEdge_fb_n; //控制下降沿 assign bothEdge_fb_n = (~controlled_signal) & controlled_signal_d1; // // 参考时钟延迟寄存器：在reference_signal上升沿采样 // 功能：标记参考时钟是否到来 always @(posedge reference_signal or negedge rst) begin if (!rst) begin ref_flag <= 1'b0; // 复位时清零 ref_nflag <= 1'b0; end else begin ref_flag <= 1'b1; // 参考时钟到来后置1 ref_nflag <= 1'b0; end end // 反馈时钟延迟寄存器：在controlled_signal上升沿采样 // 功能：标记反馈时钟是否到来 always @(posedge controlled_signal or negedge rst) begin if (!rst) begin fb_flag <= 1'b0; // 复位时清零 fb_nflag <= 1'b0; end else begin fb_flag <= 1'b1; // 反馈时钟到来后置1 fb_nflag <= 1'b0; end end // 主逻辑：检测相位关系 - 谁先来谁占优 // 在参考时钟上升沿判断：如果反馈时钟还没来，说明参考超前 always @(posedge reference_signal_d2) begin if (!fb_flag_d2) lag_signal <= 1'b1; // fb_dly为0表示controlled_signal尚未到达，reference_signal超前 else lag_signal <= 1'b0; // fb_dly为1表示controlled_signal已到，两者已对齐或参考滞后 end // 在反馈时钟上升沿判断：如果参考时钟还没来，说明反馈超前（即参考滞后） always @(posedge controlled_signal_d2) begin if (!ref_flag_d2) lead_signal <= 1'b1; // ref_dly为0表示reference_signal尚未到达，controlled_signal超前 else lead_signal <= 1'b0; // ref_dly为1表示reference_signal已到，两者已对齐或反馈滞后 end //下降沿 always @(negedge reference_signal or negedge rst) begin if (!rst) begin ref_nflag <= 1'b0; // 复位时清零 ref_flag <= 1'b0; end else begin ref_nflag <= 1'b1; // 参考时钟到来后置1 ref_flag <= 1'b0; end end always @(negedge controlled_signal or negedge rst) begin if (!rst) begin fb_nflag <= 1'b0; // 复位时清零 fb_flag <= 1'b0; end else begin fb_nflag <= 1'b1; // 反馈时钟到来后置1 fb_flag <= 1'b0; end end always @(negedge reference_signal_d2) begin if (!fb_nflag_d2) lag_signal_n <= 1'b1; // fb_dly为0表示controlled_signal尚未到达，reference_signal超前 else lag_signal_n <= 1'b0; // fb_dly为1表示controlled_signal已到，两者已对齐或参考滞后 end // 在反馈时钟上升沿判断：如果参考时钟还没来，说明反馈超前（即参考滞后） always @(negedge controlled_signal_d2) begin if (!ref_nflag_d2) lead_signal_n <= 1'b1; // ref_dly为0表示reference_signal尚未到达，controlled_signal超前 else lead_signal_n <= 1'b0; // ref_dly为1表示reference_signal已到，两者已对齐或反馈滞后 end // 消毛刺逻辑：在任一时钟下降沿清零lead_signal_wire/lag_signal_wire信号 // 防止多脉冲叠加，确保每个周期只产生一个有效脉冲 /* always @(negedge reference_signal or negedge controlled_signal) begin {lead_signal_wire, lag_signal_wire} <= 2'b00; // 在时钟下降沿同时复位两个输出 end */ always @(posedge clk or negedge rst) begin if (!rst) begin lead_signal_wire <= 'b0; lag_signal_wire <= 'b0; end //else if(bothEdge & bothEdge_fb) begin else if((bothEdge & bothEdge_fb) | (bothEdge_n & bothEdge_fb_n)) begin lead_signal_wire <= 'b0; lag_signal_wire <= 'b0; end else begin lead_signal_wire <= lead_signal | lead_signal_n; lag_signal_wire <= lag_signal | lag_signal_n; end end endmodule数字振荡器(DCO) 现在我们已经构造出来了一个数字鉴相器，接下来我们将继续探讨如何实现一个数字振荡器（DCO）。 实现一个固定脉冲频率的信号，我们可以通过已知的时钟源，分频得到一定频率范围内的脉冲。具体实现方法就是通过计数器的方式，当出现时钟脉冲时，计数器+1，计数器上限就是分频系数，当计数器的数小于上限的1/2时，输出1，当计数器的数大于上限的1/2时，输出0，当计数器的数超过上限时，计数器归零。这样就能实现对时钟源的分频。 根据上述方法，只要改变计数器的上下限，就能改变分频系数，从而改变输出信号的频率。再参考上文受控信号和滞后提前信号的关系，我们就能通过根据滞后提前信号，改变计数器上下限，来实现对受控信号频率的控制。当计数器上限增加时，分频系数增加，频率减小；当计数器上限减小时，分频系数减小，频率增加；因此有： 滞后信号——>受控信号的频率小——>增加受控信号的频率——>计数器上限减小 提前信号——>受控信号的频率大——>减小受控信号的频率——>计数器上限增加 此外根据上述对上升沿触发同步的说法，当出现上升沿触发信号时，受控信号应强制产生上升沿，即受控信号强制从该脉冲周期的开始处开始，即计数器的数回到0从新开始计数。 综上所述，再加上复位信号，一个数字振荡器的所有构成就有了。到这里，一个数字锁相环（DPLL）其实就已经能够实现了，因为数字滤波器（DB）只是让受控信号的抗干扰能力更强，如图所示是仿真后的结果： 图片 数字缓冲器(DB) 下面再介绍一下数字缓冲器，来使受控信号的抗干扰能力更强。前面我们知道了，持续一个时钟周期的提前信号或者滞后信号能够使数字振荡器的计数器上限加一或者减一。当我的预设的数字振荡器的计数器上限与实际的参考信号的频率对应的计数器上限两个数值相差很大时，就有可能出现锁相环调节时间过长等现象。为了解决这种情况，如果能够让原来持续一个周期的提前信号或滞后信号成倍数的增加，变成持续n个周期的提前信号或者滞后信号，就能够使数字振荡器的计数器上限修改更快，从而更快的到达参考频率附近。但是相应的，受控信号的频率精度就会降低。也就是说，牺牲精度，追求速度。 同时考虑另外一种情况，如果我对速度要求不高，但是对于精度要求较高，同时在信号传输过程中可能存在干扰，导致接收到的提前信号或滞后信号不是完全真实的信号，此时就可以通过一个累加器，只有接受到n个周期的提前信号，或者滞后信号，才对数字振荡器输出一个进位信号或者借位信号，此时数字振荡器的计数器上限才只加减1，这样就能有效的提高精度，减少信号干扰带来的影响。但是这种做法牺牲了数字锁相换锁定的时间。 综上所述，一个时钟周期的提前或滞后信号，对应n个时钟周期的借位或进位信号，是提高锁定速度，降低锁定精度。想法，n个时钟周期的提前或滞后信号，对应一个时钟周期的借位或进位信号，是提高锁定精度，降低锁定速度。因此在实际运用中，应该按照自己的工程需要，合理选择比值。 上述过程的实现方法，是通过一个计数器，当接收到一个提前或滞后信号时，计数器加a，当输出一个进位或借位信号时，计数器减b，调节a和b的比值，就能实现上述过程。 数字缓冲器的仿真效果： 1、分时效果 图片 2、倍时效果 图片 数字锁相环(DPLL)的实现 所有的子模块都已经实现了，剩下的数字锁相环的实现，根据实际的要求，将上述几个模块进行例化就行。例化后的测试结果如图9所示，可以看到受控信号逐渐与参考信号对齐达到锁相环效果。 图片 为了方便起见，对输出信号进行2分频，再次观察输出结果，输出相当于2倍频了，成功完成PD、DCO、Divider等模块正确设计。 图片 电路硬件与性能评估 图11为电路硬件图从图中可以看出各模块的连接关系，每个模块由基本门电路构成。通过性能优化后的的电路如图12所示。 图片 利用SMIC180nm工艺进行电路综合， 时序报告：周期2ns 图片 面积报告：2119um2 图片 功耗报告：uw级别 图片 工程代码下载
FPGA&ASIC
# ASIC/FPGA
刘航宇
3年前
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2023-06-20
Microsemi Libero SOC常见问题-FPGA全局网络的设置
摘要本文介绍了Microsemi Libero SOC中FPGA全局网络设置的问题，分析了全局布线资源，并提供了将CLKBUF改为INBUF和将INBUF改为CLKBUF的方法，以解决信号全局网络设置问题。关键词：Microsemi, Libero SOC, FPGA全局网络, 引脚分配, INBUF, CLKBUF问题描述 最近在一个FPGA工程中分配rst_n引脚时，发现rst_n引脚类型为CLKBUF，而不是常用的INBUF，在分配完引脚commit检查报错，提示需要连接到全局网络引脚上。 Running Global Checker... Error:PLC002:No legal assignment exists for global net rst.n_c. Info:Uhlocking the driver or removing the region constraint for net rst nc may help to satisfy Error:PLC005:Automat ic global net placement failed. 尝试忽略这个错误，直接进行编译，在布局布线时又报错。 Error: PLC002: No legal assignment exists for global net rst_n_c. Error: PLC005: Automatic global net placement failed. Error: Failure when executing Tcl script. [ Line 18 ] 尝试取消引脚锁定LOCK，再次commit检查成功，编译下载正常，但是功能不对，再次打开引脚分配界面，发现是rst_n对应的引脚并不是我设置的那个，看来是CLKBUF的原因。 问题分析 网络上搜索一些资料后，发现是在一些工程中会出现这个问题，如果rst_n信号连接了许多IP核，和很多自己写的模块，这样rst_n就需要很强的驱动能力，即扇出能力(Fan Out)，而且布线会很长，所以在分配管脚时，IDE自动添加了CLKBUF，来提供更大的驱动能力和更小的延时。那么什么是FPGA的全局时钟网络资源呢？ FPGA全局布线资源简介 我们知道FPGA的资源主要由以下几部分组成： 可编程输入输出单元（IOB） 基本可编程逻辑单元（CLB） 数字时钟管理模块（DCM） 嵌入块式RAM（BRAM） 丰富的布线资源 内嵌专用硬件 模块。 我们重点介绍布线资源，FPGA中布线的长度和工艺决定着信号在的驱动能力和传输速度。FPGA的布线资源可大概分为4类： 全局布线资源：芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线 长线资源：完成芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线 短线资源：完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线 分布式布线资源：用于专有时钟、复位等控制信号线。 一般设计中，我们不需要直接参与布线资源的分配，IDE中的布局布线器（Place and Route）可以根据输入逻辑网表的拓扑结构，和用户设定的约束条件来自动的选择布线资源。 其中全局布线资源具有最强的驱动能力和最小的延时，但是只能限制在全局管脚上，厂商会特殊设计这部分资源，如Xilinx FPGA中的全局时钟资源一般使用全铜层工艺实现，并设计了专门时钟缓冲和驱动结构，从而使全局时钟到达芯片内部的所有可配置逻辑单元（CLB）、I/O单元（IOB）和选择性块RAM（Block Select ROM）的时延和抖动都为最小。 一般全局布线资源都是针对输入信号来说的，如果IDE自动把rst_n引脚优化为了全局网络，而硬件电路设计上却把rst_n分配到了普通管脚上，那么就很麻烦了，要么牺牲全局网络的优势，手动将全局网络改为普通网络，要么为了利用全局网络的优势，修改电路，重新分配硬件引脚。所以如果一些关键的信号确定了，如时钟、复位等，产品迭代修改电路时，不要轻易调整这些关键引脚。 Microsemi FPGA的全局布线资源 Microsemi FPGA的全局时钟管脚编号，我们可以通过官方Datasheet来找到，在手册中关于全局IO的命名规则上，有如下介绍： 即只有管脚名称为GFA0/1/2，GFB0/1/2，GFC0/1/2，GCA0/1/2，GCB0/1/2，GCC0/1/2（共18个）才支持全局网络分配，而且，如果使用了GFA0引脚作为全局输入引脚，那么GFA1和GFA2都不能再作为全局网络了，其他GFC等同理，这一点在设计电路时要特别注意。 对于Microsemi SmartFusion系列FPGA芯片A2F200M3F-PQ208来说，只有7个，分别是：GFA0-15、GFA1-14、GFA2-13、GCA0-145、GCA1-146、GCC2-151、GCA2-153，引脚分配如下图所示： 所以在设计A2F200M3F-PQ208硬件电路时，时钟和复位信号尽量分配在这些管脚上，以获得硬件性能的最大效率。 这些全局引脚的延时时间都是非常小的，具体的时间参数可以从数据手册上获得。 全局网络改为普通输入 像文章开头介绍的情况，IDE自动把rst_n设置为全局网络，而实际硬件却不是全局引脚，应该怎么修改为普通输入呢？即CLKBUF改为普通的INBUF？网络上zlg的教程中使用的是版本较低的Libero IDE 8.0，新版的Libero SoC改动非常大，文中介绍的修改sdc文件的方法已经不能使用了，这里提供新的修改方法——调用INBUF IP Core的方式。 这里官方已经考虑到了，在官方提供的INBUF IP Core可以把CLKBUF改为INBUF。 在Catalog搜索框中输入：INBUF，可以看到这里也提供了LVDS信号专用的IP Core。 拖动到SmartDesign中进行连接 或者在源文件中直接例化的方式调用INBUF Core： INBUF INBUF_0( // Inputs .PAD ( rst_n ), // Outputs .Y ( rst_n_Y ) );这两种方法都是一样的。添加完成之后，再进行管脚分配，可以看到rst_n已经是普通的INBUF类型了，可以进行普通管脚的分配，而且commit检查也是没有错误的。 普通输入上全局网络 如果布局布线器没有把我们要的信号上全局网络，如本工程的CLK信号，IDE自动生成的是INBUF类型，我们想让他变成CLKBUF，即全局网络，来获取最大的驱动能力和最小的延时。那么应该怎么办呢？ 这里同样要使用到一个IP Core，和INBUF类似，这个IP Core的名称是CLKBUF，同样是在Catalog目录中搜索：CLKBUF，可以看到有CLKBUF开头的很多Core，这里同样也提供了LVDS信号专用的IP Core。 可以直接拖动Core到SmartDesign图形编辑窗口： 或者是在源文件中以直接例化的方式调用： CLKBUF CLKBUF_0( // Inputs .PAD ( CLKA ), // Outputs .Y ( CLKA_Y ) );这两种方式都是一样的，添加完成之后，再进行管脚分配，可以看到CLKA已经是全局网络了，只能分配在全局管脚上。 总结 对于不同厂家的FPGA，让某个信号上全局网络的方法都不尽相同，如Xilinx的FPGA是通过BUFG Core来让信号上全局网络，而且还有带使能端的全局缓冲 BUFGCE ， BUFGMUX 的应用更为灵活，有2个输入，可通过选择端选择输出哪一个。所以，信号的全局缓冲设置要根据不同厂商Core的不同来使用。
嵌入式＆系统
FPGA&ASIC
IP&SOC设计
# 嵌入式
刘航宇
3年前
0
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【电路基础】ASIC角度练习JK触发器&RS触发器
摘要本文介绍了JK触发器和RS触发器的原理、硬件描述语言实现、时序图、电路图以及性能分析。通过Verilog语言实现了JK和RS触发器，并进行了仿真测试，验证了其功能正确性。关键词：ASIC, JK触发器, RS触发器, 硬件描述语言, Verilog由于本电路极其简单，原理不做解释 目录 JK触发器真值表 硬件描述语言 JK触发器时序 JK触发器电路图 JK触发器性能--SMIC180nm工艺 RS触发器真值表 RS硬件描述语言 RS触发器时序 RS触发器电路图 RS触发器性能--SMIC180nm工艺 JK触发器 真值表 图片 硬件描述语言 代码 //边沿JK触发器-时序逻辑 //作者:刘航宇 2023/4/15 //Email:hyliu@ee.ac.cn module jk_trigger(clk,j,k,q,qb); input clk,j,k; output q,qb; reg q; wire qb; always @(posedge clk) begin case ({j,k}) 2'b00: q<=1; //jk=00,保持 2'b01: q<=1'b0; //jk=01,则触发器置0 2'b10: q<=1'b1; //jk=10,则触发器置1 2'b11: q<=~q; //11,翻转 //组合逻辑中，为避免生成锁存器，好的代码风格是if语句都加上else，case语句都加上default。 //时序逻辑中，“若无必要，尽量不加else和default”——以减小数据翻转机会,低功耗。 //故此处不写default endcase end assign qb = ~q; endmodule测试文件 //jk触发器测试文件 `timescale 1ns/1ps module jk_trigger_tb; reg j,k,clk;//输入reg是因为要initial wire q,qb; always begin #5 clk = ~clk; end //初始化 //下面这个产生fsdb是Synopsys VCS&Makefile脚本会用到，如果你用Medelsim仿真请删掉这个initial语句以免报错 initial begin $fsdbDumpfile("tb.fsdb");//这个是产生名为tb.fsdb的文件 $fsdbDumpvars; end initial begin clk = 0; j = 1'b0; k = 1'b0;//保持 #30 begin j=1'b0;k=1'b1; end //置0 #20 begin j=1'b1;k=1'b0; end //置1 #20 begin j=1'b0;k=1'b0; end //保持 #20 begin j=1'b1;k=1'b1; end //翻转 #200 $finish; end jk_trigger u1(.j(j),.k(k),.clk(clk),.q(q),.qb(qb)); endmoduleJK触发器时序 上升沿触发，可以看到时序完全正确 图片 JK触发器电路图 图片 之所以这样综合电路综合出一个D触发器，是考虑标准单元库的面积与时序的折中，标准单元相当于基本晶体管搭建而成，比如反相器占用2个晶体管，与非门占用4个晶体管，具体不在赘叙。 图片 图片 JK触发器性能--SMIC180nm工艺 图片 RS触发器 真值表 图片 RS硬件描述语言 代码 //边沿JK触发器-时序逻辑 //作者:刘航宇 2023/4/15 //Email:hyliu@ee.ac.cn module rs_trigger( input wire clk,r,s, output reg q, output wire qb ); always @(posedge clk) begin case ({r,s}) 2'b00: q<=q; //r,s同时为低电平，触发器保持状态不变 2'b01: q<=1'b1; //触发器置1 2'b10: q<=1'b0; //触发器置0 2'b11: q<=1'bx; //不定态 endcase end assign qb = ~q; endmodule测试代码 `timescale 1ns/1ps module rs_trigger_tb(); reg clk,r,s; wire q,qb; always begin #5 clk = ~clk; end //初始化 initial begin clk = 0; r = 1'b0; s = 1'b0;//保持 #30 r=1'b0;s=1'b1; //置1 #20 r=1'b1;s=1'b0; //置0 #20 r=1'b0;s=1'b0; //保持 #20 r=1'b1;s=1'b1; //禁止 #200 $stop; end rs_trigger u2(.clk(clk),.r(r),.s(s),.q(q),.qb(qb)); endmoduleRS触发器时序 上升沿触发，可以看到时序完全正确 图片 RS触发器电路图 image.png图片 image.png图片 image.png图片 RS触发器性能--SMIC180nm工艺 image.png图片
FPGA&ASIC
# ASIC/FPGA
刘航宇
3年前
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【硬件算法进阶】Verilog实现802.3 CRC-32校验运算电路
摘要本文介绍了使用Verilog实现802.3 CRC-32校验运算电路的设计，包括CRC校验原理、电路结构、Verilog代码实现以及测试方法。关键词：CRC-32校验, Verilog, 硬件算法, 循环冗余校验, 802.3循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）是通信中常用的差错检测编码方式，其基本工作原理是根据输入的信息位（信息码元），按照给定的生成多项式产生校验位（校验码元），并一起传送到接收端。在接收端，接收电路按照相同的规则对接收数据进行计算并生成本地的校验位，然后与收到的校验位进行对比，如果二者不同，则说明传输过程中发生了错误，否则说明传输是正确的。带有CRC校验结果的数据帧结构如表1-2所示。 image.png图片 CRC检验位生成与检测工作包括以下基本步骤。 image.png图片 图1-6是一个并行CRC-32校验运算电路。图中的d［7：0］是输入的用户数据，它是按照字节的方式输入的。load_ini是在对一个新的数据包开始校验计算之前对电路进行初始化的控制信号，经过初始化后，电路内部32比特寄存器的值改变为全1。calc是电路运算指示信号，在整个数据帧输入和CRC校验结果输出的过程中其都应该保持有效（高电平有效）。d_valid为1时表示当前输入的是需要进行校验运算的有效数据。crc［7：0］是电路输出的CRC校验运算结果，它是按照字节方式，在有效数据输入完成后开始输出的，一共有4个有效字节。crc_reg［31：0］是内部寄存器的值，具体使用时不需要该输出。 image.png图片 并行计算的思想，输入数据S要并行输入到G(x)系数为1的支路中，输入数据从输入端按高到低逐bit输入，就可以实现。 假如被除数是2位的数据S[1:0]=01，多项式是10011，x4 +x+1。在CRC校验里面，习惯省略最高位的1，多项式用0011表示。那么S除以0011的模二运算数字电路结构为： image.png图片 其中d1~ d4是寄存器输入；q1~q4是寄存器输出。寄存器需要赋初值，一般赋全1或全0。 d1=S[1]^q4; d2= S[1]^ q1^q4; d3=q2; d4=q3。 经过一次移位后： q1=d1= S[1]^q4; q2= d2= S[1]^ q1^q4; q3= d3=q2; q4= d4=q3。 此时有： d1=S[0]^q3; d2= S[0]^ S[1]^ q4^q3; d3= S[1]^ q1^q4; d4= q2。 令c[3:0]={q4,q3,q2,q1}，d[3:0]={d4,d3,d2,d1}，那么d就是最终的运算结果表达式，如下 d[3]=c[1]; d[2]= S[1]^ c[0]^c[3]; d[1]= S[0]^ S[1]^ c[3]^ c[2]; d[0]= S[0]^ c[2]。 令c的初值为0，则01对0011的模二除法的余数为0011。 再比如多项式为x5 +x3 +x+1，简记式为01011，其数字电路结构为： image.png图片 输入数据S要全部输入完，寄存器得到的结果才是最后的结果。同理可推导出其他多项式和输入数据的情况。 对于循环检验，这里举个例子，如果数据是10bit*100个包，则每次输入10bit得到校验码后，该检验码为下次数据计算时寄存器D的初值，如此反复计算得到最后的检验码添加到整个数据后面即可，而不需要每个数据包后面都添加检验码。 下面是以太网循环冗余校验电路的设计代码： module crc32_8023( clk, reset, d, load_init, calc, d_valid, crc_reg, crc ); input clk; input reset; input [7:0] d; input load_init; input calc; input d_valid; output reg [31:0] crc_reg; output reg [7:0] crc; wire [2:0] ctl; wire [31:0] next_crc; wire [31:0] i; assign i = crc_reg; assign ctl = {load_init,calc,d_valid}; always @(posedge clk or posedge reset) begin if(reset) crc_reg <= 32'hffffffff; else begin case (ctl) //{load_init,calc,d_vaild} 3'b000,3'b010: begin crc_reg <= crc_reg; crc <= crc;end 3'b001: begin crc_reg <= {crc_reg[23:0],8'hff}; crc <= ~{crc_reg[16],crc_reg[17],crc_reg[18],crc_reg[19],crc_reg[20],crc_reg[21],crc_reg[22],crc_reg[23]}; //crc <= ~ crc_reg[16:23]; end 3'b011: begin crc_reg <= next_crc[31:0]; crc <= ~{next_crc[24],next_crc[25],next_crc[26],next_crc[27],next_crc[28],next_crc[29],next_crc[30],next_crc[31]}; //crc <= ~ next_crc[24:31]; end 3'b100,3'b110: begin crc_reg <= 32'hffffffff; crc <= crc; end 3'b101: begin crc_reg <= 32'hffffffff; crc <= ~{crc_reg[16],crc_reg[17],crc_reg[18],crc_reg[19],crc_reg[20],crc_reg[21],crc_reg[22],crc_reg[23]}; //crc <= ~ crc_reg[16:23]; end 3'b111: begin crc_reg <= 32'hffffffff; crc <= ~{next_crc[24],next_crc[25],next_crc[26],next_crc[27],next_crc[28],next_crc[29],next_crc[30],next_crc[31]}; //crc <= ~ next_crc[24:31]; end endcase end end assign next_crc[0] = d[7]^i[24]^d[1]^i[30]; //d+i=31 assign next_crc[1] = d[6]^d[0]^d[7]^d[1]^i[24]^i[25]^i[30]^i[31]; assign next_crc[2] = d[5]^d[6]^d[0]^d[7]^d[1]^i[24]^i[25]^i[26]^i[30]^i[31]; assign next_crc[3] = d[4]^d[5]^d[6]^d[0]^i[25]^i[26]^i[27]^i[31]; assign next_crc[4] = d[3]^d[4]^d[5]^d[7]^d[1]^i[24]^i[26]^i[27]^i[28]^i[30]; assign next_crc[5] = d[0]^d[1]^d[2]^d[3]^d[4]^d[6]^d[7]^i[24]^i[25]^i[27]^i[28]^i[29]^i[30]^i[31]; assign next_crc[6] = d[0]^d[1]^d[2]^d[3]^d[5]^d[6]^i[25]^i[26]^i[28]^i[29]^i[30]^i[31]; assign next_crc[7] = d[0]^d[2]^d[4]^d[5]^d[7]^i[24]^i[26]^i[27]^i[29]^i[31]; assign next_crc[8] = d[3]^d[4]^d[6]^d[7]^i[24]^i[25]^i[27]^i[28]^i[0]; //每项多出i[i],i=0、1、2...23 assign next_crc[9] = d[2]^d[3]^d[5]^d[6]^i[1]^i[25]^i[26]^i[28]^i[29]; assign next_crc[10] =d[2]^d[4]^d[5]^d[7]^i[2]^i[24]^i[26]^ i[27]^i[29]; assign next_crc[11] =i[3]^d[3]^i[28]^d[4]^i[27]^d[6]^i[25]^d[7]^i[24]; assign next_crc[12] =d[1]^d[2]^d[3]^d[5]^d[6]^d[7]^i[4]^i[24]^i[25]^i[26]^i[28]^i[29]^i[30]; assign next_crc[13] =d[0]^d[1]^d[2]^d[4]^d[5]^d[6]^i[5]^i[25]^i[26]^i[27]^i[29]^i[30]^i[31]; assign next_crc[14] =d[0]^d[1]^d[3]^d[4]^d[5]^i[6]^i[26]^i[27]^i[28]^i[30]^i[31]; assign next_crc[15] =d[0]^d[2]^d[3]^d[4]^i[7]^i[27]^i[28]^i[29]^i[31]; assign next_crc[16] =d[2]^d[3]^d[7]^i[8]^i[24]^i[28]^i[29]; assign next_crc[17] =d[1]^d[2]^d[6]^i[9]^i[25]^i[29]^i[30]; assign next_crc[18] =d[0]^d[1]^d[5]^i[10]^i[26]^i[30]^i[31]; assign next_crc[19] =d[0]^d[4]^i[11]^i[27]^i[31]; assign next_crc[20] =d[3]^i[12]^i[28]; assign next_crc[21] =d[2]^i[13]^i[29]; assign next_crc[22] =d[7]^i[14]^i[24]; assign next_crc[23] =d[1]^d[6]^d[7]^i[15]^i[24]^i[25]^i[30]; assign next_crc[24] =d[0]^d[5]^d[6]^i[16]^i[25]^i[26]^i[31]; assign next_crc[25] =d[4]^d[5]^i[17]^i[26]^i[27]; assign next_crc[26] =d[1]^d[3]^d[4]^d[7]^i[18]^i[28]^i[27]^i[24]^i[30]; assign next_crc[27] =d[0]^d[2]^d[3]^d[6]^i[19]^i[29]^i[28]^i[25]^i[31]; assign next_crc[28] =d[1]^d[2]^d[5]^i[20]^i[30]^i[29]^i[26]; assign next_crc[29] =d[0]^d[1]^d[4]^i[21]^i[31]^i[30]^i[27]; assign next_crc[30] =d[0]^d[3]^i[22]^i[31]^i[28]; assign next_crc[31] =d[2]^i[23]^i[29]; endmodule测试代码 `timescale 1ns/1ns module crc_test(); reg clk, reset; reg [7:0] d; reg load_init; reg calc; reg data_valid; wire [31:0] crc_reg; wire [7:0] crc; initial begin clk=0; reset=0; load_init=0; calc=0; data_valid=0; d=0; end always begin #10 clk=1; #10 clk=0; end always begin crc_reset; crc_cal; end task crc_reset; begin reset=1; repeat(2)@(posedge clk); #5; reset=0; repeat(2)@(posedge clk); end endtask task crc_cal; begin repeat(5) @ (posedge clk); //通过losd_init=1 对CRC计算电路进行初始化 #5; load_init= 1; repeat(1)@ (posedge clk); //设置1oad_init=0,data_valid= 1,calc=1 //开始对输人数据进行CRC校验运算 #5; load_init= 0; data_valid=1; calc=1; d=8'haa; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=1; d=8'hbb; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=1; d=8'hcc; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=1; d=8'hdd; repeat(1)@ (posedge clk); //设置load_init=0,data_valid=1,calc=0 //停止对数据进行CRC校验运算,开始输出 //计算结果 #5; data_valid=1; calc=0; d=8'haa; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=0; d=8'hbb; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=0; d=8'hee; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=1; calc=0; d=8'hdd; repeat(1)@ (posedge clk); #5; data_valid=0; repeat(10)@ (posedge clk); end endtask crc32_8023 my_crc_test(.clk(clk),.reset(reset),.d(d),.load_init(load_init),.calc(calc),.d_valid(data_valid),.crc_reg(crc_reg),.crc(crc)); endmodule图1-7是电路的仿真结果。图中①是电路进行CRC校验计算之前对电路进行初始化操作的过程，经过初始化之后，crc_reg内部数值为全1。②是对输入数据aa-> bb-> cc-> dd进行运算操作的过程，此时calc和data_valid均为1。③是输出计算结果的过程，CRC校验运算结果a7、01、b4和55先后被输出。 图片 图片 在接收方向上，可以采用相同的电路进行校验检查，判断是否在传输过程中发生了差错。具体工作时，可以边接收用户数据边进行校验运算，当一个完整的MAC帧接收完成后（此时接收数据帧中的校验结果也参加了校验运算），如果当前校验电路的crc_reg值为0xC704DD7B（对于以太网中使用的CRC-32校验，无论原始数据是什么，正确接收时校验和都是此固定数值），说明没有发生错误，否则说明MAC帧有错。 CRC-32校验值的作用是用于检测数据传输或存储中的错误。发送数据时，会根据数据内容生成简短的校验和，并将其与数据一起发送。接收数据时，将再次生成校验和并将其与发送的校验和进行比较。如果两者相等，则没有数据损坏。如果两者不相等，则说明数据在传输或存储过程中发生了改变，可能是由于噪声、干扰、故障或恶意篡改等原因造成的。 CRC-32校验值可以有效地检测出数据中的随机错误，但是不能保证检测出所有的错误。例如，如果数据中有偶数个比特发生了翻转，那么CRC-32校验值可能不会改变，从而无法发现错误。因此，CRC-32校验值只能作为一种辅助的错误检测手段，不能完全依赖它来保证数据的正确性和完整性。 相关工具 如果不理解推导过程的话，可以由相关工具帮忙计算出结果和得到Verilog代码： CRC校验Verilog代码生成链接：http://outputlogic.com/?page_id=321 CRC校验计算工具链接：http://www.ip33.com/crc.html，这个工具只能计算16bit为一个数据包的数据，如果数据包为10bit等之类的就不太适用 在线计算器使用举例 报文 ： 1011001 (0x59) 生成多项式 ： g(x) = x^4 + x^3 + 1 CRC : 1010 ( 0xa) CRC计算结果截图： image.png图片 参考文献 Verilog HDL算法与电路设计-乔庐峰
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软硬件算法
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刘航宇
3年前
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【IC/CPU设计】极简的RISC_CPU设计
摘要本文介绍了RISC_CPU的设计，包括其内部结构、Verilog实现和测试过程。该项目旨在帮助数字IC工程师入门，并探讨了如何进一步优化和扩展。关键词：RISC_CPU, Verilog, 数字IC设计, CPU架构, 算术逻辑单元CPU为SOC系统的核心环节，该项目来自于夏宇闻老师的经典教材——《Verilog 数字系统设计教程》，通过此练习方便数字ICer更好的入门 本次项目实践环境： 前仿： Modelsim 综合： Design Compile 目录 CPU简介 整体结构时钟发生器 指令寄存器 累加器 算术运算器数据控制器 地址多路器 程序计数器 状态控制器&主状态机 外围模块地址译码器 RAM ROM 顶层模块 TestbenchTest1程序 Test3程序 完整的testbench 源代码&脚本 前仿真结果 DC后仿真 总结 源代码&脚本 CPU简介 CPU（Central Processing Unit），中文全称中央处理器，作为四大U之首(CPU/GPU/TPU/NPU），是计算机系统的运算和控制核心，也是当今数字系统中不可或缺的组成部分。CPU自诞生到如今发展超过50年，借助冯诺依曼体系，CPU掀起一股又一股的科技浪潮。RISC作为精简了指令集的CPU，除了指令更加简洁，还拥有简单合理的内部结构，从而提高了运算速度。 CPU工作的5个阶段： （1）取指（IF，Instruction Fetch），将指令从存储器取出到指令寄存器。每取一条指令，程序计数器自加一。 （2）译指（ID，Instruction Decode)，对取出的指令按照规定格式进行拆分和译码。 （3）执行（EX，Execute），执行具体指令操作。 （4）访问存储（MEM，Memory），根据指令访问存储、完成存储和读取。 （5）写回（WB，Write Back），将计算结果写回到存储器。 CPU内部关键结构： （1）算术逻辑运算器（ALU）； （2）累加器； （3）程序计数器； （4）指令寄存器和译码器； （5）时序和控制部件。 RISC_CPU内部结构和Verilog实现 本项目中的RISC_CPU一共有9个模块组成，具体如下： （1）时钟发生器； （2）指令寄存器； （3）累加器； （4）算术逻辑运算单元； （5）数据控制器； （6）状态控制器； （7）主状态机； （8）程序计数器； （9）地址多路器。 整体结构 图片 时钟发生器 模块图： image.png图片 端口描述： reset是高电平复位信号； clk是外部时钟信号； fetch是控制信号，是clk的八分频信号；fetch为高电平时，触发执行指令以及地址多路器输出指令地址和数据地址。 alu_ena是算术逻辑运算单元的使能信号。 图片 可以看到alu_ena提前fetch高电平一个clk周期，fetch是clk的8分频信号。 Verilog代码： // Description: RISC——CPU 时钟发生器 // ----------------------------------------------------------------------------- module clk_gen ( input clk , // Clock input reset , // High level reset output reg fetch , // 8 frequency division output reg alu_ena // Arithmetic enable ); reg [7:0] state; //One-piece state machine parameter S1 = 8'b0000_0001, S2 = 8'b0000_0010, S3 = 8'b0000_0100, S4 = 8'b0000_1000, S5 = 8'b0001_0000, S6 = 8'b0010_0000, S7 = 8'b0100_0000, S8 = 8'b1000_0000, idle = 8'b0000_0000; always@(posedge clk)begin if(reset)begin fetch <= 0; alu_ena <= 0; state <= idle; end else begin case(state) S1: begin alu_ena <= 1; state <= S2; end S2: begin alu_ena <= 0; state <= S3; end S3: begin fetch <= 1; state <=S4; end S4: begin state <= S5; end S5: state <= S6; S6: state <= S7; S7: begin fetch <= 0; state <= S8; end S8: begin state <= S1; end idle: state <= S1; default: state <=idle; endcase end end endmodule指令寄存器 模块图： 图片 端口描述： 寄存器是将数据总线送来的指令存入高8位或低8位寄存器中。 ena信号用来控制是否寄存。 每条指令为两个字节，16位，高3位是操作码，低13位是地址（CPU地址总线为13位，寻址空间为8K字节）。 本设计的数据总线为8位，每条指令需要取两次，先取高8位，再取低8位。 Verilog代码： // Description: RISC—CPU 指令寄存器 // ----------------------------------------------------------------------------- module register ( input [7:0] data , input clk , input rst , input ena , output reg [15:0] opc_iraddr ); reg state ; // always@( posedge clk ) begin if( rst ) begin opc_iraddr <= 16'b 0000_0000_0000_0000; state <= 1'b 0; end // if rst // If load_ir from machine actived, load instruction data from rom in 2 clock periods. // Load high 8 bits first, and then low 8 bits. else if( ena ) begin case( state ) 1'b0 : begin opc_iraddr [ 15 : 8 ] <= data; state <= 1; end 1'b1 : begin opc_iraddr [ 7 : 0 ] <= data; state <= 0; end default : begin opc_iraddr [ 15 : 0 ] <= 16'bxxxx_xxxx_xxxx_xxxx; state <= 1'bx; end endcase // state end // else if ena else state <= 1'b0; end endmodule 累加器 模块图： 图片 端口描述： 累加器用于存放当前结果，ena信号有效时，在clk上升沿输出数据总线的数据。 // Description: RISC-CPU 累加器模块 // ----------------------------------------------------------------------------- module accum ( input clk , // Clock input ena , // Enable input rst , // Asynchronous reset active high input [7:0] data , // Data bus output reg [7:0] accum ); always@(posedge clk)begin if(rst) accum <= 8'b0000_0000;//Reset else if(ena) accum <= data; end endmodule 算术运算器 模块图： image.png图片 端口描述： 算术逻辑运算单元可以根据输入的操作码分别实现相应的加、与、异或、跳转等基本操作运算。 本单元支持8种操作运算。 opcode用来选择计算模式 data是数据输入 accum是累加器输出 alu_ena是模块使能信号 clk是系统时钟 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 算术运算器 // ----------------------------------------------------------------------------- module alu ( input clk , // Clock input alu_ena , // Enable input [2:0] opcode , // High three bits are used as opcodes input [7:0] data , // data input [7:0] accum , // accum out output reg [7:0] alu_out , output zero ); parameter HLT = 3'b000 , SKZ = 3'b001 , ADD = 3'b010 , ANDD = 3'b011 , XORR = 3'b100 , LDA = 3'b101 , STO = 3'b110 , JMP = 3'b111 ; always @(posedge clk) begin if(alu_ena) begin casex(opcode)//操作码来自指令寄存器的输出 opc_iaddr(15..0)的第三位 HLT: alu_out <= accum ; SKZ: alu_out <= accum ; ADD: alu_out <= data + accum ; ANDD: alu_out <= data & accum ; XORR: alu_out <= data ^ accum ; LDA : alu_out <= data ; STO : alu_out <= accum ; JMP : alu_out <= accum ; default: alu_out <= 8'bxxxx_xxxx ; endcase end end assign zero = !accum; endmodule 数据控制器 模块图： image.png图片 端口描述： 数据控制器的作用是控制累加器的数据输出，数据总线是分时复用的，会根据当前状态传输指令或者数据。 数据只在往RAM区或者端口写时才允许输出，否则呈现高阻态。 in是8bit数据输入 data_ena是使能信号 data是8bit数据输出 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 数据控制器 // ----------------------------------------------------------------------------- module datactl ( input [7:0] in , // Data input input data_ena , // Data Enable output wire [7:0] data // Data output ); assign data = (data_ena )? in: 8'bzzzz_zzzz ; endmodule 地址多路器 模块图： image.png图片 端口描述： 用于选择输出地址是PC（程序计数）地址还是数据/端口地址。每个指令周期的前4个时钟周期用于从ROM种读取指令，输出的是PC地址；后四个时钟周期用于对RAM或端口读写。 地址多路器和数据控制器实现的功能十分相似。 fetch信号用来控制地址输出，高电平输出pc_addr ,低电平输出ir_addr ; pc_addr 指令地址； ir_addr ram或端口地址。 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 地址多路器 // ----------------------------------------------------------------------------- module adr ( input fetch , // enable input [12:0] ir_addr , // input [12:0] pc_addr , // output wire [12:0] addr ); assign addr = fetch? pc_addr :ir_addr ; endmodule 程序计数器 模块图： image.png图片 端口描述： 程序计数器用来提供指令地址，指令按照地址顺序存放在存储器中。包含两种生成途径： （1）顺序执行的情况 （2）需要改变顺序，例如JMP指令 rst复位信号，高电平时地址清零； clock 时钟信号，系统时钟； ir_addr目标地址，当加载信号有效时输出此地址； pc_addr程序计数器地址 load地址装载信号 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 程序计数器 // ----------------------------------------------------------------------------- module counter ( input [12:0] ir_addr , // program address input load , // Load up signal input clock , // CLock input rst , // Reset output reg [12:0] pc_addr // insert program address ); always@(posedge clock or posedge rst) begin if(rst) pc_addr <= 13'b0_0000_0000_0000; else if(load) pc_addr <= ir_addr; else pc_addr <= pc_addr + 1; end endmodule 状态控制器&主状态机 模块图： image.png图片 （图左边）状态机端口描述： 状态控制器接收复位信号rst，rst有效，控制输出ena为0，fetch有效控制ena为1。 // Description: RISC-CPU 状态控制器 // ----------------------------------------------------------------------------- module machinectl ( input clk , // Clock input rst , // Asynchronous reset input fetch , // Asynchronous reset active low output reg ena // Enable ); always@(posedge clk)begin if(rst) ena <= 0; else if(fetch) ena <=1; end endmodule （图右边）主状态端口描述： 主状态机是CPU的控制核心，用于产生一系列控制信号。 指令周期由8个时钟周期组成，每个时钟周期都要完成固定的操作。 （1）第0个时钟，CPU状态控制器的输出rd和load_ir 为高电平，其余为低电平。指令寄存器寄存由ROM送来的高8位指令代码。 （2）第1个时钟，与上一个时钟相比只是inc_pc从0变为1，故PC增1，ROM送来低8位指令代码，指令寄存器寄存该8位指令代码。 （3）第2个时钟，空操作。 （4）第3个时钟，PC增1，指向下一条指令。 操作符为HLT，输出信号HLT为高。 操作符不为HLT，除PC增1外，其余控制线输出为0. （5）第4个时钟，操作。 操作符为AND，ADD，XOR或LDA，读取相应地址的数据； 操作符为JMP，将目的地址送给程序计数器； 操作符为STO，输出累加器数据。 （6）第5个时钟，若操作符为ANDD，ADD或者XORR，算术运算器完成相应的计算； 操作符为LDA，就把数据通过算术运算器送给累加器； 操作符为SKZ，先判断累加器的值是否为0，若为0，PC加1，否则保持原值； 操作符为JMP，锁存目的地址； 操作符为STO，将数据写入地址处。 (7)第6个时钟，空操作。 (8)第7个时钟，若操作符为SKZ且累加器为0，则PC值再加1，跳过一条指令，否则PC无变化。 // Description: RISC-CPU 主状态机 // ----------------------------------------------------------------------------- module machine ( input clk , // Clock input ena , // Clock Enable input zero , // Asynchronous reset active low input [2:0] opcode , // OP code output reg inc_pc , // output reg load_acc , // output reg load_pc , // output reg rd , // output reg wr , // output reg load_ir , // output reg datactl_ena , // output reg halt ); reg [2:0] state ; //parameter parameter HLT = 3'b000 , SKZ = 3'b001 , ADD = 3'b010 , ANDD = 3'b011 , XORR = 3'b100 , LDA = 3'b101 , STO = 3'b110 , JMP = 3'b111 ; always@(negedge clk) begin if(!ena) //收到复位信号rst，进行复位操作 begin state <= 3'b000; {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else ctl_cycle; end //------- task ctl_cycle ------- task ctl_cycle; begin casex(state) 3'b000: //load high 8bits in struction begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0001; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0100; state <= 3'b001; end 3'b001://pc increased by one then load low 8bits instruction begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1001; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0100; state <= 3'b010; end 3'b010: //idle begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; state <= 3'b011; end 3'b011: //next instruction address setup 分析指令开始点 begin if(opcode == HLT)//指令为暂停HLT begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0001; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b100; end 3'b100: //fetch oprand begin if(opcode == JMP) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0010; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == ADD || opcode == ANDD || opcode == XORR || opcode == LDA) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0001; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == STO) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0010; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b101; end 3'b101://operation begin if(opcode == ADD || opcode == ANDD ||opcode ==XORR ||opcode == LDA)//过一个时钟后与累加器的内存进行运算 begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0101; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == SKZ && zero == 1)// & and && begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == JMP) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1010; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else if(opcode == STO) begin//过一个时钟后吧wr变为1，写到RAM中 {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b1010; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b110; end 3'b110: begin if(opcode == STO) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0010; end else if(opcode == ADD || opcode == ANDD || opcode == XORR || opcode == LDA) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0001; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b111; end 3'b111: begin if(opcode == SKZ && zero == 1) begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b1000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end else begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; end state <= 3'b000; end default: begin {inc_pc,load_acc,load_pc,rd} <= 4'b0000; {wr,load_ir,datactl_ena,halt} <= 4'b0000; state <= 3'b000; end endcase end endtask endmodule 外围模块 为了对RISC-CPU进行测试，需要对ROM、RAM和地址译码器进行设计。 地址译码器 模块说明： 地址译码器用于产生选通信号，选通ROM或者RAM 1FFFH —— 1800H RAM（范围）：1_1xxx_xxxx_xxxx 17FFH —— 0000H ROM（范围）：0_xxxx_xxxx_xxxx+1_0xxx_xxxx_xxxx Verilog代码： // Description: RISC-CPU 地址译码器 // ----------------------------------------------------------------------------- module addr_decode ( input [12:0] addr , // Address output reg ram_sel , // Ram sel output reg rom_sel // Rom sel ); always@(addr)begin casex(addr) 13'b1_1xxx_xxxx_xxxx:{rom_sel,ram_sel} <= 2'b01; 13'b0_xxxx_xxxx_xxxx:{rom_sel,ram_sel} <= 2'b10; 13'b1_0xxx_xxxx_xxxx:{rom_sel,ram_sel} <= 2'b10; default: {rom_sel,ram_sel} <= 2'b00; endcase end endmodule RAM 模块说明： RAM用于存放临时数据，可读可写。 Verilog代码： // Description: RISC-CPU RAM模块 // ----------------------------------------------------------------------------- module ram ( input ena , // Enable input read , // read Enable input write , // write Enable inout wire [7:0] data , // data input [9:0] addr // address ); reg [7:0] ram [10'h3ff:0] ; assign data = (read && ena )? ram[addr]:8'h zz; always@(posedge write) begin ram[addr] <= data; end endmodule ROM 模块说明： RAM用于存放只读数据。 Verilog代码： // Description: RISC-CPU ROM模块 // ----------------------------------------------------------------------------- module rom ( input [12:0] addr , input read , input ena , output wire [7:0] data ); reg [7:0] memory [13'h1ff:0]; assign data = (read && ena)? memory[addr]:8'b zzzz_zzzz; endmodule 顶层模块 模块图： 图片 图片 Verilog代码： // Description: RISC-CPU 顶层模块 // ----------------------------------------------------------------------------- //`include "clk_gen.v" //`include "accum.v" //`include "adr.v" //`include "alu.v" //`include "machine.v" //`include "counter.v" //`include "machinectl.v" //`iclude "machine.v" //`include "register.v" //`include "datactl.v" module RISC_CPU ( input clk , input reset , output wire rd , output wire wr , output wire halt , output wire fetch , //addr output wire [12:0] addr , output wire [12:0] ir_addr , output wire [12:0] pc_addr , inout wire [7:0] data , //op output wire [2:0] opcode ); wire [7:0] alu_out ; wire [7:0] accum ; wire zero ; wire inc_pc ; wire load_acc ; wire load_pc ; wire load_ir ; wire data_ena ; wire contr_ena ; wire alu_ena ; //inst clk_gen mclk_gen( .clk (clk ), .reset (reset ), .fetch (fetch ), .alu_ena (alu_ena ) ); register m_register( .data (data ), .ena (load_ir ), .rst (reset ), .clk (clk ), .opc_iraddr ({opcode,ir_addr} ) ); accum m_accum( .data (alu_out ), .ena (load_acc ), .clk (clk ), .rst (reset ), .accum (accum ) ); alu m_alu( .data (data ), .accum (accum ), .clk (clk ), .alu_ena (alu_ena ), .opcode (opcode ), .alu_out (alu_out ), .zero (zero ) ); machinectl m_machinectl( .clk (clk ), .rst (reset ), .fetch (fetch ), .ena (contr_ena ) ); machine m_machine( .inc_pc (inc_pc ), .load_acc (load_acc ), .load_pc (load_pc ), .rd (rd ), .wr (wr ), .load_ir (load_ir ), .clk (clk ), .datactl_ena(data_ena ), .halt (halt ), .zero (zero ), .ena (contr_ena ), .opcode (opcode ) ); datactl m_datactl( .in (alu_out ), .data_ena (data_ena ), .data (data ) ); adr m_adr( .fetch (fetch ), .ir_addr (ir_addr ), .pc_addr (pc_addr ), .addr (addr ) ); counter m_counter( .clock (inc_pc ), .rst (reset ), .ir_addr (ir_addr ), .load (load_pc ), .pc_addr (pc_addr ) ); endmodule Testbench Testbench包含三个测试程序,这个部分不能综合。 Test1程序 TEST1程序用于验证RISC-CPU的逻辑功能，根据汇编语言由人工编译的。 若各条指令正确，应该在地址2E(hex)处，在执行HLT时刻停止。若程序在任何其他位置停止，则必有一条指令运行错误，可以按照注释找到错误的指令。 test1汇编程序：(.pro文件/存放于ROM) //机器码-地址-汇编助记符-注释 @00 //address statement 111_0000 //00 BEGIN: JMP TST_JMP 0011_1100 000_0000 //02 HLT //JMP did not work 0000_0000 000_00000 //04 HLT //JMP did not load PC skiped 0000_0000 101_1100 //06 JMP_OK: LDA DATA 0000_0000 001_00000 //08 SKZ 0000_0000 000_0000 //0a HLT 0000_0000 101_11000 //0C LDA DATA_2 0000_0001 001_00000 //0E SKZ 0000_0000 111_0000 //10 JMP SKZ_OK 001_0100 000_0000 //12 HLT 0000_0000 110_11000 //14 SKZ_OK: STO TEMP 0000_0010 101_11000 //16 LDA DATA_1 0000_0000 110_11000 //18 STO TEMP 0000_0010 101_11000 //1A LDA TEMP 0000_0010 001_00000 //1C SKZ 0000_0000 000_00000 //1E HLT 0000_0000 100_11000 //20 XOR DATA_2 0000_0001 001_00000 //22 SKZ 0000_0000 111_00000 //24 JMP XOR_OK 0010_1000 000_00000 //26 HLT 0000_0000 100_11000 //28 XOR_OK XOR DATA_2 0000_0001 001_00000 //2A SKZ 0000_0000 000_00000 //2C HLT 0000_0000 000_0000 //2E END 0000_0000 111_00000 //30 JMP BEGIN 0000_0000 @3c 111_00000 //3c TST_JMP IMR OK 0000_0110 000_00000 //3E HLT test1数据文件：（.dat/存放于RAM） /----------------------------------- @00 ///address statement at RAM 00000000 //1800 DATA_1 11111111 //1801 DATA_2 10101010 //1082 TEMPTest2程序 TEST1程序用于验证RISC-CPU的逻辑功能，根据汇编语言由人工编译的。 这个程序是用来测试RISC-CPU的高级指令集，若执行正确，应在地址20（hex）处在执行HLT时停止。 test2汇编程序： @00 101_11000 //00 BEGIN 0000_0001 011_11000 //02 AND DATA_3 0000_0010 100_11000 //04 XOR DATA_2 0000_0001 001_00000 //06 SKZ 0000_0000 000_00000 //08 HLT 0000_0000 010_11000 //0A ADD DATA_1 0000_0000 001_00000 //0C SKZ 0000_0000 111_00000 //0E JMP ADD_OK 0001_0010 111_00000 //10 HLT 0000_0000 100_11000 //12 ADD_OK XOR DATA_3 0000_0010 010_11000 //14 ADD DATA_1 0000_0000 110_11000 //16 STO TEMP 0000_0011 101_11000 //18 LDA DATA_1 0000_0000 010_11000 //1A ADD TEMP 0000_0001 001_00000 //1C SKZ 0000_0000 000_00000 //1E HLT 0000_0000 000_00000 //END HLT 0000_0000 111_00000 //JMP BEGIN 0000_0000test2数据文件： @00 00000001 //1800 DATA_1 10101010 //1801 DATA_2 11111111 //1802 DATA_3 00000000 //1803 TEMPTest3程序 TEST3程序是一个计算0~144的斐波那契数列的程序，用来验证CPU整体功能。 test3汇编程序： @00 101_11000 //00 LOOP:LDA FN2 0000_0001 110_11000 //02 STO TEMP 0000_0010 010_11000 //04 ADD FN1 0000_0000 110_11000 //06 STO FN2 0000_0001 101_11000 //08 VLDA TEMP 0000_0010 110_11000 //0A STO FN1 0000_0000 100_11000 //0C XOR LIMIT 0000_0011 001_00000 //0E SKZ 0000_0000 111_00000 //10 JMP LOOP 0000_0000 000_00000 //12 DONE HLT 0000_0000test3数据文件： @00 00000001 //1800 FN1 00000000 //1801 FN2 00000000 //1802 TEMP 10010000 //1803 LIMIT完整的testbench Verilog代码： // Description: RISC-CPU 测试程序 // ----------------------------------------------------------------------------- `include "RISC_CPU.v" `include "ram.v" `include "rom.v" `include "addr_decode.v" `timescale 1ns/1ns `define PERIOD 100 // matches clk_gen.v module cputop_tb; reg [( 3 * 8 ): 0 ] mnemonic; // array that holds 3 8 bits ASCII characters reg [ 12 : 0 ] PC_addr, IR_addr; reg reset_req, clock; wire [ 12 : 0 ] ir_addr, pc_addr; // for post simulation. wire [ 12 : 0 ] addr; wire [ 7 : 0 ] data; wire [ 2 : 0 ] opcode; // for post simulation. wire fetch; // for post simulation. wire rd, wr, halt, ram_sel, rom_sel; integer test; //-----------------DIGITAL LOGIC---------------------- RISC_CPU t_cpu (.clk( clock ),.reset( reset_req ),.halt( halt ),.rd( rd ),.wr( wr ),.addr( addr ),.data( data ),.opcode( opcode ),.fetch( fetch ),.ir_addr( ir_addr ),.pc_addr( pc_addr )); ram t_ram (.addr ( addr [ 9 : 0 ]),.read ( rd ),.write ( wr ),.ena ( ram_sel ),.data ( data )); rom t_rom (.addr ( addr ),.read ( rd ), .ena ( rom_sel ),.data ( data )); addr_decode t_addr_decoder (.addr( addr ),.ram_sel( ram_sel ),.rom_sel( rom_sel )); //-------------------SIMULATION------------------------- initial begin clock = 0; // display time in nanoseconds $timeformat ( -9, 1, "ns", 12 ); display_debug_message; sys_reset; test1; $stop; test2; $stop; test3; $finish; // simulation is finished here. end // initial task display_debug_message; begin $display ("\n************************************************" ); $display ( "* THE FOLLOWING DEBUG TASK ARE AVAILABLE: *" ); $display ( "* \"test1;\" to load the 1st diagnostic program. *"); $display ( "* \"test2;\" to load the 2nd diagnostic program. *"); $display ( "* \"test3;\" to load the Fibonacci program. *"); $display ( "************************************************\n"); end endtask // display_debug_message task test1; begin test = 0; disable MONITOR; $readmemb ("test1.pro", t_rom.memory ); $display ("rom loaded successfully!"); $readmemb ("test1.dat", t_ram.ram ); $display ("ram loaded successfully!"); #1 test = 1; #14800; sys_reset; end endtask // test1 task test2; begin test = 0; disable MONITOR; $readmemb ("test2.pro", t_rom.memory ); $display ("rom loaded successfully!"); $readmemb ("test2.dat", t_ram.ram ); $display ("ram loaded successfully!"); #1 test = 2; #11600; sys_reset; end endtask // test2 task test3; begin test = 0; disable MONITOR; $readmemb ("test3.pro", t_rom.memory ); $display ("rom loaded successfully!"); $readmemb ("test3.dat", t_ram.ram ); $display ("ram loaded successfully!"); #1 test = 3; #94000; sys_reset; end endtask // test1 task sys_reset; begin reset_req = 0; #( `PERIOD * 0.7 ) reset_req = 1; #( 1.5 * `PERIOD ) reset_req = 0; end endtask // sys_reset //--------------------------MONITOR-------------------------------- always@( test ) begin: MONITOR case( test ) 1: begin // display results when running test 1 $display("\n*** RUNNING CPU test 1 - The Basic CPU Diagnostic Program ***"); $display("\n TIME PC INSTR ADDR DATA "); $display(" ------ ---- ------- ------ ------ "); while( test == 1 )@( t_cpu.pc_addr ) begin // fixed if(( t_cpu.pc_addr % 2 == 1 )&&( t_cpu.fetch == 1 )) begin // fixed #60 PC_addr <= t_cpu.pc_addr - 1; IR_addr <= t_cpu.ir_addr; #340 $strobe("%t %h %s %h %h", $time, PC_addr, mnemonic, IR_addr, data ); // Here data has been changed t_cpu.m_register.data end // if t_cpu.pc_addr % 2 == 1 && t_cpu.fetch == 1 end // while test == 1 @ t_cpu.pc_addr end 2: begin // display results when running test 2 $display("\n*** RUNNING CPU test 2 - The Basic CPU Diagnostic Program ***"); $display("\n TIME PC INSTR ADDR DATA "); $display(" ------ ---- ------- ------ ------ "); while( test == 2 )@( t_cpu.pc_addr ) begin // fixed if(( t_cpu.pc_addr % 2 == 1 )&&( t_cpu.fetch == 1 )) begin // fixed #60 PC_addr <= t_cpu.pc_addr - 1; IR_addr <= t_cpu.ir_addr; #340 $strobe("%t %h %s %h %h", $time, PC_addr, mnemonic, IR_addr, data ); // Here data has been changed t_cpu.m_register.data end // if t_cpu.pc_addr % 2 == 1 && t_cpu.fetch == 1 end // while test == 2 @ t_cpu.pc_addr end 3: begin // display results when running test 3 $display("\n*** RUNNING CPU test 3 - An Executable Program **************"); $display("***** This program should calculate the fibonacci *************"); $display("\n TIME FIBONACCI NUMBER "); $display(" ------ -----------------_ "); while( test == 3 ) begin wait( t_cpu.opcode == 3'h 1 ) // display Fib. No. at end of program loop $strobe("%t %d", $time, t_ram.ram [ 10'h 2 ]); wait( t_cpu.opcode != 3'h 1 ); end // while test == 3 end endcase // test end // MONITOR: always@ test //-------------------------HALT------------------------------- always@( posedge halt ) begin // STOP when HALT intruction decoded #500 $display("\n******************************************"); $display( "** A HALT INSTRUCTION WAS PROCESSED !!! **"); $display( "******************************************"); end // always@ posedge halt //-----------------------CLOCK & MNEMONIC------------------------- always#(`PERIOD / 2 ) clock = ~ clock; always@( t_cpu.opcode ) begin // get an ASCII mnemonic for each opcode case( t_cpu.opcode ) 3'b 000 : mnemonic = "HLT"; 3'b 001 : mnemonic = "SKZ"; 3'b 010 : mnemonic = "ADD"; 3'b 011 : mnemonic = "AND"; 3'b 100 : mnemonic = "XOR"; 3'b 101 : mnemonic = "LDA"; 3'b 110 : mnemonic = "STO"; 3'b 111 : mnemonic = "JMP"; default : mnemonic = "???"; endcase end endmodule $ readmemb ( "test1. pro" ,t_ rom. . memory ); $ readmemb ( "testl. dat",t_ ram_ . ram); 即可把编译好的汇编机器码装人虚拟ROM,把需要参加运算的数据装人虚拟RAM就可以开始仿真。上面语句中的第一项为打开的文件名,后一项为系统层次管理下的ROM模块和RAM模块中的存储器memory和ram。源代码&脚本 见文章末尾 前仿真结果 test1 图片 test2 图片 test3 图片 图片 DC后仿真 采用SMIC180工艺在典型环境下进行测试 时序报告： 图片 面积报告： 图片 功耗报告： 图片 综合电路图： 图片 图片 图片 总结 该项目更加偏向于教学练习，CPU也是数字IC的重要研究方向，对此感兴趣的同学可以找点论文和开源资料进行学习。可以进一步优化如流水线、运算单元，扩展成SOC系统等。 源代码&脚本
FPGA&ASIC
IP&SOC设计
# ASIC/FPGA
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刘航宇
3年前
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3~4月的花花，浅浅的记录一下~
摘要记录了长安区3~4月期间拍摄的各种花卉照片。关键词：3~4月花, 长安区, 花卉摄影, 春季花卉, 花卉图片最近在长安区遇到的3~4月的花花，浅浅的记录一下~ 图片 图片 图片 图片 图片 图片 图片 图片 图片 图片 图片 图片 图片 图片 图片
我的随笔
# 随笔
刘航宇
3年前
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2023-03-21
IC/SOC封装类型与对应成本关系
摘要本文介绍了IC/SOC封装类型及其成本关系，包括外围封装和阵列封装，以及BGA、倒装片封装和多芯片封装等，分析了不同封装技术的优缺点和适用场景。关键词：IC封装, BGA封装, Flip Chip, 多芯片封装, MCP根据引脚引出的不同，封装可分为外围和阵列封装。根据有无封装连线分为有连接线的( Wire Bond)和倒装片(Flip-chip) 封装。其中，外围封装形式有DIP、PLCC、QFP、SOP等，如图14-23所示。此类封装的优点是价格便宜，板级可靠性比较高。但是其电性能和热性能较差，并且受到I/O引脚数目的限制，如PQFP (Plastic Quad Flat Package,塑料四边引脚扁平封装)，I/O 引脚数目也只能达到208~240个。 图片 阵列封装包括有连线的BGA和无连线的Flip-chip BGA等，如图14-24 所示。此类封装的优点是I/O密度高，板级集成的成品率高，但是价格相对较高。 图片 (1) BGA封装 BGA封装技术的出现是封装技术的一大突破，它是近几年来推动封装市场的强有力的技术之一，BGA封装一改传统的封装结构，将引线从封装基板的底部以阵列球的方式引出，这样不仅可以安排更多的IO，而且大大提高了封装密度，改进了电性能。如果它再采用MCP (多芯片模块)封装或倒装片技术，有望进一步提高产 品的速度和降低复杂性。 目前, BGA封装按照基板的种类，主要分为PBGA (塑封BGA)、CBGA (陶瓷BGA)、TBGA (载带BGA)、MBGA (金属BGA)等。图14-25以PBGA为例进行说明，PBGA中的焊球做在 PWB基板上，基板是BT多层布线基板(2~4层)，封装采用的焊球材料为共晶或准共晶Pb-Sn 合金、焊球和封装体的连接不需要另外的焊料。 图片 (2)倒装片封装(Flip Chip Packages) 倒装片技术是一种先进的，非常有前途的集成电路封装技术。封装倒装片是一一种由 IBM公司最先使用的先进封装技术，它是利用倒装技术将芯片直接装入一- 个封装体内。倒装片封装可以是单芯片也可以是多芯片形式，其发展历史已将近40年，主要在手持或移动电子产品中使用广泛。一般芯片都是面朝上安装互连，而此类技术则是芯片面朝下，芯片上的焊区直接与基板上的焊区互连，如图14-26所示。因此，倒装封装的互连线非常短，由互连线产生的电容、电阻和电感也比其他封装形式小得多，具有较高的电性能和热性能。此外，采用此类封装的芯片焊区可面阵布局，更适于多I/O数的VLSI芯片使用。当然，倒装技术也有不足之处，如芯片面朝下安装互连，给工艺操作带来一定难度一焊 点检查困难，板级可靠性需要解决，费用也偏高。 图片 (3)多芯片封装(MCP, Multi Chip Package) 多芯片封装是20世纪90年代兴起的- -种混合微电子组装技术，它是在高密度多层布线基板上,将若干裸芯片IC组装和互连,构成更复杂的或具有子系统功能的高级电子组件，常见的有Flash+MCU、Flash+MCU+SRAM、 SRAM+MCU和Analog IC+Digital IC+Memory等组合。图14-27 所示为MCP封装的示意图。 图片 目前，MCP多采用IC芯片叠层放置，可大大节约基板的面积，其主要特点是布线密度高，互连线短，体积小，重量轻和性能高等。但是由于封装了多块芯片，使得良品率有所下降，并且测试相对较困难，测试成本也很高。
FPGA&ASIC
# ASIC/FPGA
刘航宇
3年前
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2023-03-18
【优惠活动】26考研西北大学电子信息类专业全程班
摘要西北大学电子信息类专业26考研全程班开启优惠活动，时间5.6日至5.20日，参与分享课程有机会获得不同等级的优惠，奖品包括150元至30元不等。课程包含数电、模电、电路等知识点讲解，并提供资料和模拟题。关键词：考研, 西北大学, 电子信息类专业, 全程班, 优惠活动pEVCsrd.png图片 26考研专业全程班优惠活动来啦！ 所有课程https://edu.ee.ac.cn/ 奖品内容 活动内容 兑奖条件 声明&收奖方式 赠送资料 26考研西北大学843班（学习通上课）：https://mooc1.chaoxing.com/course/249631535.html 课程二维码： m6eq51qr.png图片 目录 奖品内容 活动时间5.6日~5.20日 💻 特等奖奖优惠150元 📱 一等奖优惠100元 💿 二等奖优惠80元 📗 三等奖优惠50元 ✉ 四等奖优惠30元 只要参与98%概率中奖任何一个 兑奖成功后当日有效 活动内容 点开下面2个网页任何一个都可，然后点击分享到QQ空间或微信朋友圈，配上文案：西北大学843电子信息类考研全程班，有需要可以了解，QQ群：519462257。 任选一个 网页一 https://mooc1.chaoxing.com/course/249631535.html 网页二 https://edu.ee.ac.cn/ 兑奖条件 1、转发后需要获得至少5个人的点赞 2、转发后3天内不可删除转发消息，否则取消兑奖资格 3、完成后凭截图参与抽奖 声明&收奖方式 满足活动条件后请将截图发至以下任一核实地方 1、截图发至QQ:2091645818/微信:eecslab 2、截图上传至评论区 发送上面二个任意一个都可以，核实后奖品会立刻发放 每人仅能参与1次，中奖额度与赞数无关，达到最低要求即可 图片 西北大学26考研班：包含数电、模电、 电路 三科知识点讲解、划重点、送初复试资料、真题模拟题带刷带练、 复试指导等 拟定课时不低于90课时，课时更新中课程链接： 点击进入课程 赠送资料 西北大学843、849历年真题 下载地址：https://wwek.lanzoue.com/ip1gv2m1mg3c 提取码： 免费笔记入口 模拟电子技术 数字电子技术
我的随笔
刘航宇
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2023-03-08
天线设计2-电磁学基础与线形天线
摘要本文介绍了天线设计中的电磁学基础，重点讲解了线形天线，特别是极小偶极子的辐射场特性，包括辐射电场、磁场、功率密度、辐射电阻等，并探讨了不同区域的辐射场分布和方向性。关键词：天线设计, 电磁学基础, 线形天线, 辐射场, 辐射电阻第三章 辐射积分与辅助函数 求解辐射场的分析中，通常需要构造辅助函数来帮助求解。常见的辅助位函数为，磁矢量A- (也称为磁矢位)。 图片 远场辐射 很多天线的辐射场使用球面坐标来表示会较为方便，其一般形式是 图片 重要公式 图片 线形天线 Linear Wire Antenna 线形天线是最古老、最便宜、最简单、应用最广泛的天线。因此我们尝试从最小的天线结构和最简单的几何形状开始分析。我们以极小偶极子的辐射场特性为例，讲解辐射场的一般求解过程。 极小偶极子 Infinitesimal Dipole 极小偶极子对应于导线很短,很细，电流近似均匀分布的情况。 图片 图片 求解辐射场 图片 图片 这样我们就得到了极小偶极子的辐射电场和磁场。以上的分析在源以外的区域都是有效的。 功率密度和辐射电阻 利用前面计算的结果和坡印廷矢量的计算公式 图片 辐射场分布 前面所推导的极小偶极子的电磁场的分布 在源以外的区域都是适用的，但在不同的区域，场的一些特性可能有所区别。 近场 kr <<1 图片 中场 kr>1 图片 远场 kr>>1 在远场时，径向的电场几乎为0。能流密度垂直于径向，以辐射波为主。 从近场到远场的过渡动画： 动画 方向性 图片 一般远场辐射特性的求解过程 前面我们以极小偶极子为例，求解了极小偶极子的辐射特性。一般远场辐射特性的计算过程如下： 指定电流或者磁流密度 确定辅助场A 确定远场的E和H 计算(a)能流密度或(b)辐射强度 计算辐射功率 计算极化 计算归一化的功率图 计算辐射电阻和输入电阻 图片 有限长度偶极子 极小偶极子是一种将电流分割成无数小电流源的近似，实际情况中，需要求解的往往是有限长度的偶极子。我们假设电流在导线上的分布是正弦形式的，电流密度可以写成： 图片 图片 图片 图片 辐射电阻 根据前面辐射功率和辐射电阻的关系，可以得到 图片 图片 辐射电抗 图片 输入电阻 输入端看到的电阻与天线的辐射电阻未必是相同的。因为导线上的电流分布发生了变化。 图片 半波偶极子 图片 辐射阻抗 辐射电阻： 图片 图片
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# 天线设计
刘航宇
3年前
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天线设计-微带天线小型化技术
摘要本文探讨了微带天线小型化技术，包括提高介质基板介电常数、曲流技术、短路加载技术、附加有源网络、应用电磁带隙结构和左手介质等方法，以实现天线小型化，满足无线电子产品小型化需求。关键词：天线设计, 微带天线, 小型化技术, 介质基板, 曲流技术天线作为无线电通信的桥梁，是实现无线通信的关键。随着无线通信技术和电子技术的发展，日常生活中的无线电子产品变得越来越小，越来越薄，越来越轻，而功能变得越来越强大。天线的小型化跟不上电子设备小型化的步伐，经常成为无线电子产品体积缩小的瓶颈。理论上讲，天线的工作波长与天线尺寸成正比。换句话说，要想降低天线的工作频率就要增大天线的尺寸，这就使得天线的小型化成为了研究的难点，实现微带天线小型化设计的主要手段有: 1)提高介质基板的介电常数; 2)曲流技术; 3)短路加载技术; 4)附加有源网络; 5)应用用电磁带隙结构; 6)应用左手介质; 目录 1、提高介质基板的介电常数 曲流技术贴片表面开槽 接地板开槽 短路加载技术 附加有源网络 应用用电磁带隙结构 应用左手介质 1、提高介质基板的介电常数 图片 图片 曲流技术 我们知道增加天线的有效长度可以降低天线的谐振频率。曲流技术就是我们常说的表面开槽技术，它的实质就是增加了天线的有效长度，从而达到天线小型化的目的。 贴片表面开槽 图片 图(3-1)为表面开槽后的辐射贴片电流路径分布。从图中我们可以看出辐射贴片的电流路径在开槽处发生弯曲，有效地延长了电流路径，相当于天线的有效长度变大了。从而在不改变天线几何尺寸的情况下，降低了天线的谐振频率。 微带天线的辐射贴片表面上，各个共振模式的电流分布均不相同。如果在相同的共振模式下开槽，就会改变原有的共振模式的电流路径，延长电流路径,使得天线的共振波长变大。所所开凹槽的长度会影响天线的谐振频率，凹槽越长则天线的谐振频率越低。不过，所开凹槽的宽度不宜过大，太大会降低天线的辐射性能。 跟采用高介质常数基底的方法一样，辐射贴片表面开槽也有其弊端。表面开槽后天线会.产生垂直于主激发面的额外电流，从而增加了天线的交叉极化，使得天线的辐射效率降低。除此之外，开槽后天线的相对辐射面积就减小了，从而影响到天线的增益。 接地板开槽 图片 图片 短路加载技术 基本的矩形微带天线的为工作波长的二分之一，基本谐振模式为TM。,其电流在两个开路端之间成驻波分布。所以在两个开路端之间有--条零电位线。如果我们在此零电位线处让其接地，将微带天线的另一半舍去，就可以在开路和短路之间形成驻波分布，而不改变天线的内部场分布。这样一来天线的尺寸就减小 了一半，实现了天线小型化的目的。短路加载微带天线的方法有很多，包括短路面加载，短路片加载和短路探针加载。短路加载的数量，每个短路加载的面积以及天线的高度决定了短路加载的效果。图(3-3)分别给出了不同加载方式的示意图。 图片 图片 图(3-3a)是短路面加载的微带天线，它的尺寸缩小到了四分之一工作波长。所以此微带天线的尺寸比半波结构的微带天线尺寸减小了一-般。图(3-3a)所示的短路片加载微带天线和图(3-3b)所示的短路探针微带天线的结构比较相似，但实际上它们加载的结构带宽不一样。 附加有源网络 由于天线的辐射电阻会随着天线尺寸的减小而减小，所以天线尺寸的减小会降低天线的效率。除此之外，天线的带宽也常常因为天线尺寸的减小而降低。而天线性能的恶化会影响整个无线收发系统的性能，甚至使系统无法正常工作。 有源网络的放大作用和阻抗补偿技术可以用来弥补由天线尺寸减小而引起的天线性能下降的问题 有源天线具有以下优点: 1)频带宽; 2)高增益; 3)容易实现阻抗匹配;. 但是有源网络会影响天线的互易性。 应用用电磁带隙结构 电磁带隙结构(Electromagnetic B and-Gap)是周期结构的统称，包括光子带隙(Photonic Band Gap, PB)、频率选择表面(Frequency Select Surface, FS)以 及光子晶体(photonic Crystal,PC)等周期结构。电磁波与周期结构互相作用的时候，会出现--些如频率禁带、通带以及频率间隙等特性。 电磁带隙结构是微带辐射贴片的下方及周围、天线的基片内钻出或刻蚀出一系列间隔非常近的小孔(≤h/10)，通过改变孔间距和孔的大小来改变有效介电常数。EBG 是人造的周期性结构，在此种结构中，一-定范围内的电磁波无法传播。将电磁带隙结构附加在天线辐射贴片的背面，可以抑制天线的表面波，从而实现天线小型化的目的。 目前，比较常见的电磁带隙结构有: 1)基底打孔型; 2)高阻抗表面型; 3)地面腐蚀型; 4)夹层式结构; 5)共面紧凑型; 应用左手介质 图片 图片 图片 如图(3-5)所示，将左手介质和右手介质相叠加，当电磁波在当中传播时，由于介质两边相位相反，左手介质会对右手介质进行相位补偿，相位变化会完全抵消。这样，由辐射贴片、右手介质、左手介质以及接地板所组成的微带天线的谐振方程不再依赖于d,和d，而只取决于d2/d,.由于传统的谐振腔谐振至少需要半个波长，而这种结构就突破了这个限制，从而很好地降低了天线的高度，实现了微带天线小型化的目的。
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# 天线设计
刘航宇
3年前
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AMBA--AHB总线协议介绍（一）
摘要本文介绍了AMBA AHB总线协议，包括其概述、总线互联、信号定义、操作概述、基本传输、传输类型和突发操作。AHB总线是SOC芯片中应用广泛的片上总线，具有高效的数据传输能力。关键词：AMBA, AHB总线, 高级高性能总线, 总线协议, 微控制器1、AHB总线概述 AHB：Advanced High-performance Bus,即高级高性能总线。AHB总线是SOC芯片中应用最为广泛的片上总线。下图是一个典型的基于AMBA AHB总线的微控制器系统： 图片 SOC架构 图片 基于AMBA AHB的设计中可以包含一个或多个总线主机，通常一个系统里至少包含一个处理器和一个测试接口；DMA和DSP作为总线主机同样是比较常见的。 典型的AHB总线设计包括一下几个部分： （1）AHB主机：主机可以通过提供地址和控制信息发起读写操作；同一时刻总线上只允许一个主机占用总线。 （2）AHB从机：从机需在给定的地址空间范围内响应总线上的读或写操作；从机通过信号将成功、失败、等待数据传输等信息返回至有效的主机。 （3）AHB仲裁器：总线仲裁器确保同一时刻只有一个主机被允许发起传输。所有的AHB总线都必须包含一个仲裁器，即使是在单主机总线系统中。 （4）AHB译码器：译码器的作用是对传输中的地址信号进行译码，并提供给从机一个选择信号。所有的AHB总线中都必须包含一个中央译码器。 2、总线互联 AMBA AHB总线协议被设计为一个使用中央多路选择器的互联方案，如下表： 图片 基于这种方案，所有的主机在需要发起传输时，都可以驱动地址和控制信号，由仲裁器决定哪一个主机的地址和控制信号（写传输时包含写数据信号）连通到总线上的所有从机。同时总线需要一个中央译码器，用于控制读数据和应答信号的多路数据选择器，该多路数据选择器用于选择传输中涉及的从机的相关信号。 3、AHB信号 AHB信号以字母H作为前缀，如下表所示 NameWidthSourceDescriptionHCLK1bit时钟源总线所有传输都基于此时钟，所有信号的时序都与时钟上升沿有关HRESETn1bit复位控制器总线复位信号，总线上唯一低电平有效的信号HADDR32bit主机32位地址总线HTRANS2bit主机表明当前传输的类型HSIZE2bit主机表明传输的大小，典型的是字节(8-bit)、 半字(16-bit)、字(32-bit)， 协议允许最大传输大小是1024 bitHWRITE1bit主机传输写信号，高电平表示写传输，低电平表示读传输HBURST3bit主机有自己的HBURST信号有自己的HBURST信号HPROT4bit主机保护控制信号。主要应用于期望实现某些程度的保护级别的模块中HWDATA32bit主机写传输数据。要求最低位宽位32位HSELx1bit译码器从机选择信号，每个AHB从机都有自己的HSEL信号，该信号有效时，表明选中相应从机HRDATA32bit从机读数据总线，用于读操作期间从机向主机传输数据HREADY1bit从机该信号为高时，表明总线传输完成。也可以拉低该信号用以扩展传输HRESP2bit从机传输响应信号。提供四种响应OKAY、ERROR、RETRY、SPLITAMBA AHB也需要一些信号用于支持多主机总线操作，其中一些仲裁信号需要点对点连接： NameWidthSourceDescriptionHBUSREQx1bit主机主机x发送至仲裁器的总线请求信号，总线系统中最多有16个主机，每个主机都有一个HBUSREQ信号HLOCKx1bit主机该信号为高时，表示主机x发起锁定传输HGRANTx1bit仲裁器表明主机x在当前总线上拥有最高的优先级，当HREADY信号为高时，地址/控制信号的所有权将发生变化，故主机x需在HREADY与HGRANTx信号同时为高时，获得总线控制权HMASTER4bit仲裁器表明哪一个主机当前拥有地址/控制信号的所有权HMASTLOCK1bit仲裁器表明当前传输为锁定顺序传输，此信号与HMASTER具有相同时序HSPLITx16bit从机用于指示仲裁器，哪一个主机可以继续完成分块传输4、AMBA AHB操作概述 在一次AHB传输开始之前，主机必须被授予总线访问权。这个过程起始于主机向仲裁器发出一个总线请求，由仲裁器决定该主机何时被授予总线使用权。被授权的主机通过驱动地址和控制信号来发起一次AHB传输，这些信号提供了地址、传输方向、传输宽度等信息，以及会表明当前传输是否为突发传输的一部分。AHB支持两种形式的突发传输： （1）增量突发，在地址边界不进行回环； （2）回环突发，在特定地址边界回环 写数据总线用于将数据从主机发送到从机，读数据总线用于将数据从从机传输到主机。 每次数据传输包含： （1）一个地址和控制周期； （2）一个或多个数据周期 由于地址不支持扩展，所以所有的从机必须在地址周期内采样地址，而数据可以通过HREADY信号进行扩展延长，当HREADY信号为低，总线将插入等待状态，以此提供从机额外的采样数据或者提供数据的时间。 在传输中，从机使用应答信号HRESP[1:0]来表示传输状态： （1）OKAY：OKAY响应表示传输正常，且当HREADY信号为高时，表示传输成功； （2）ERROR：ERROR响应表示发生了传输错误，并且传输失败； （3）RETRY and SPLIT：RETRY和SPLIT都表示当前传输未能即刻完成，但是主机应继续尝试传输 一般而言，仲裁器授权另一个主机前，允许当前被授权主机完成突发传输。然而，为了避免过多的仲裁延迟（当前主机占用过多总线周期），总线可以打断一个突发传输，在这种情况下，主机必须重新申请总线，以完成后续的突发传输。 5、基本传输 一个AHB传输包含两个部分： （1）地址相位，仅包含一个时钟周期； （2）数据相位，可以使用HREADY信号，维持多个时钟周期 下图表示了一个无等待状态的简单传输： 图片 在无等待的简单传输中，主机在HCLK的上升沿驱动地址和控制信号到总线上，在下一个时钟上升沿时，从机对地址和控制信号进行采样，从机采样得到地址和控制信息后，可以驱动应答信号给与主机适当的响应，主机在第三个时钟的上升沿对应答信号进行采样。 这个简单的例子演示了在不同的时钟周期地址和数据相位是怎样产生的。实际上，当前传输的地址相位都对应于前一次传输的数据相位，这种地址和数据交叠现象，是总线能够进行流水线传输的基础，这样不仅能够获得更高的传输性能，也能为从机进行响应提供充足的时间。 从机可以在数据相位中，插入等待状态，以此获得更多得时间来完成传输： 图片 注意： （1）在写传输中，主机需要在整个扩展周期内保持写数据信号稳定 （2）在读传输中，从机没必要提供有效数据，知道传输结束时 当传输以这种方式做扩展时，将对下一个传输的地址相位产生一个扩展的副作用，如下图所示： 图片 该图表示了三个不相关的地址A、B、C上的传输，图中地址A和C的传输都没有等待状态，地址B的传输通过HREADY信号的拉低插入了一个等待的数据相位，这样导致了地址C传输的地址相位进行了扩展。 6、传输类型 AHB传输类型可以分为四种，通过HTRANS[1:0]的取值来划分： HTRANSTypeDescription00IDLE表明没有数据传输的要求。IDLE 用于主机被授予总线，但不希望进行数据传输的情况。对于IDLE传输，从机必须提供一个零等待的OKAY应答，并且忽略该传输01BUSYBUSY传输类型允许主机在突发传输中插入空闲周期。表明主机正在进行突发传输，但下次传输不能立即有效。当主机使用BUSY传输类型时，地址和控制信号必须对应突发中的下一次传输。从机必须提供一个零等待的OKAY应答，并且忽略该传输。10NONSEQ表示突发传输中的第一次传输或者非突发的单次传输，地址和控制信号与前次传输无关.11SEQ突发传输中剩余的传输时连续的，地址和前一次传输是相关的,当前地址值等于前一次传输的地址值加上传输大小(字节)， 控制信息和前一次传输相同。在回环的突发传输中，传输的地址在地址边界处回环，回环值的大小等于传输大小(字节) 乘以传输次数(4、8或16) )下图是一个不同传输类型的例子： 图片 从图中可以看出： 第一个传输为以此突发传输的开始（T1），所以其传输类型为NONSEQ； 主机不能立刻执行突发传输中的第二次传输，所以使用了BUSY的传输类型(T2)来延迟下一次传输的开始，注意此时地址已经时下次传输的地址，控制信号和下次传输保持一致，主机只插入了一个BUSY，所以T3执行第二次传输； 主机执行第三次传输（T4），由于从机将HREADY信号拉低，插入了一个等待周期，引起地址相位的扩展； T6周期完成第三次传输，T7周期完成第四次传输（图中T8边沿）。 7、突发操作 AMBA AHB协议定义了4、8和16拍的突发，未定义长度的突发传输以及单次传输；协议支持增量和回环的突发方式。 增量突发方式访问连续地址空间，每次传输的地址是前一次传输地址增加一个增量偏移； 回环突发中，如果传输的其实地址并未和突发中的字节总数对齐，则突发传输地址将在达到边界处回环。例如：一个4拍回环突发的字（4字节）访问将在16字节的边界处回环，如果传输的起始地址为0x34，那么突发中将包含4个地址：0x34,0x38,0x3C,0x30。 AMBA AHB 有8种突发操作，使用信号HBRUST[2:0]表示： HTRANSTypeDescription000SINGLE单一传输001INCR未指定长度的增量突发010WRAP44拍回环突发011INCR44拍增量突发100WRAP88拍回环突发101INCR88拍增量突发110WRAP1616拍回环突发111INCR1616拍增量突发突发不能超过1K的地址边界，所以主机尽量不要发起将要跨过地址边界的定长的增量突发。 一次突发传输的数据总量，等于节拍数乘以每拍包含的字节数。所以突发传输必须将地址边界和数据大小对齐，例如，字传输必须对齐到字地址边界，即A[1:0]=00；半字传输必须对齐到半字地址边界，即A[0]=0。
IP&SOC设计
# SOC设计
刘航宇
3年前
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2023-03-03
天线设计1-基本参数
摘要本文介绍了天线设计的基本参数和辐射机理，包括单根导线、传输线和偶极子的辐射原理，以及天线分析方法。同时，讨论了天线的基本参数，如辐射图、主平面、场区、波束宽度、方向性、波束立体角、极化和输入阻抗等。关键词：天线设计, 辐射机理, 电磁波传播, 天线参数, 传输线第一章 导言 天线类型 图片 辐射机理 电磁波是如何产生，并最终与天线“分离”而在自由空间中传播的呢？ 我们讨论以下几种辐射源的辐射原理。 单根导线 图片 图片 这一方程表示了电流和电荷之间的关系，也是电磁辐射的基本条件：要产生电磁辐射，需要有电流或电荷的加速(或减速)。 要产生电荷的加速或减速，需要导线弯曲、不连续、或者端接。就如同水流一样，当管道宽度变化，流速发生变化，在管道宽度变化的区域，就有水流的加速/减速。 为了定性的的了解辐射机理。考虑一个脉冲源连接到一个导线，导线与GND存在RC寄生参数，到导线通电时，导体中的电子被加速；在终端的电子被减速，即反射；从而在导线的两端和导线上产生辐射场。在这个过程中，电荷加速是外部源造成的，电场使电荷运动；电荷减速，则于是由于感应场有关的力造成的，例如导线两端的电荷积累。因此激励电场引起电荷加速，而导线阻抗不连续导致辐射的产生。 传输线 图片 考虑一个电压源连接到图1.11(a)所示的两根导线上。导线间的交变电压使得电荷加速或减速，交变电场感应出交变的磁场，反之亦然，因此，从天线端产生了电磁波，并传播到自由空间中。 结论：激发电场需要电荷，单维持电场不需要。（这就类似水波的产生） 偶极子 首先我们要接受电磁场传播的速度是有限的。两个偶极子在每T/2的时间内交换位置，每个T/2时间内，电场只能传播的距离。每次偶极子交换位置时，电场的极性发生了变化，因此传播的电场变成交变电场，产生交变磁场，从而形成了脱离源的电磁波。 图片 电流在细导线上的分布 讨论天线的辐射场时，需要知道电流的分布。 图片 图片 图片 图片 分析方法 在过去，分析复杂天线问题通常用积分方程方法、几何衍射理论来求解。此类方法用于线型天线较为方便。然而当辐射系统为多个波长时，低频的方法计算效率不高，最近广为关注和应用的GTD/UTD方法，它是几何光学的拓展，通过引入衍射机制，克服了几何光学的局限性。有限差分时域是另一种在散射方面受到广泛关注的方法，现已应用到天线辐射问题。有限元是一种在解决天线问题中获得巨大成功的方法。 遇到的挑战 目前仍有许多挑战和需要解决的问题，例如单片集成MIC技术和相控阵架构依然是最具挑战的问题。复杂问题的计算电磁学。创新的天线设计。多功能、多频带、超宽带、可重构天线等。 第二章 天线的基本参数和FOM 在描述天线性能前，需要定义一些参数，一些参数可能是相互关联的。书中的许多带引号的定义来源于 IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas [IEEE Std 145-1993.Reaffirmed 2004(R2004)] Radiation Pattern 辐射图 在天线研究中，通常用球面坐标来表示电磁场会较为方便，因此首先介绍球面坐标系 图片 图片 图片 辐射波瓣（radiation lobe）：以辐射强度较弱的区域为边界，将辐射图分割成几个区域。 最大的辐射波瓣称为主瓣（major lobe），其他则为次瓣(minor lobe)。副瓣(side lobe)通常表示功率水平最高的次瓣。后瓣(back lobe)方向与主瓣方向相反的次瓣。 图片 图片 图片 各向同性、定向、全向天线 图片 其中全向天线是定向天线的特殊类型。 主平面 对于线性极化的天线，通常用其主要平面图来描述其性能，包括： 电场平面(E-plane)：包含最大电场矢量与最大辐射方向的平面。 磁场平面(H-plane)：包含最大磁场矢量与最大辐射方向的平面。 大多数天线的通常的做法是让至少一个电磁平面与几何平面重合。例如图2.5中，可以定义XOZ平面为电场的主平面，而XOY为磁场的主平面。 图片 图片 Field Regions 场区 天线周围空间可分成三个区域： 图片 图2.8显示了，从近场到远场时，场的形状随距离的典型变化趋势。在近场中，场更加分散，几乎均匀，只有很小的变化，随着距离到辐射近场区，图案变得圆滑，逐渐形成波瓣。在远场区，形成了类似花瓣的图案。 图片 弧度和球面度 图片 图片 波束宽度 HPBW Half power beam width 半波束宽度 FNBW First Null Beam width 第一组零点之间的宽度 方向性 定义：在给定方向上的辐射强度与各项同性源的辐射强度之比。 图片 波束立体角 波束立体角定义：假如辐射强度是恒定的，且等于最大值，流过某一个立体角的功率等于天线辐射功率，那么该立体角称为波束立体角。 图片 图片 图片 传导效率和介电效率通常很难计算，可以通过实验测量，但也很难区分出二者，因此把两项合并成传导-介电效率 极化 辐射波的极化定义为：沿着传播方向观察电场的矢量箭头，随时间变化，绘制的轨迹图。 极化可以分成线性、圆形和椭圆。如果电场的矢量始终沿着一条直线变化，则该电场称为线性极化；但一般而言，电场矢量箭头的路径通常是椭圆形，这称为椭圆极化。圆形和线性实际上是椭圆的特赦情况。 假如有一个沿着负z轴方向传播的平面波。其电场可以写成： 图片 图片 输入阻抗 图片 重要公式 图片
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# 天线设计
刘航宇
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