试用手记：为国产FPGA正名(五，外扩SFR使用)
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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。
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）：
// External Special Function Registers interface
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
output sfrwe; //8051写SFR使能信号，高电平有效
output sfroe; //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 @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) ledr <= 4'h0;
else if(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
sfr LED = 0xf8; //低4bit控制LED亮暗
编写函数实现SFR控制的流水灯：
void main(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 @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) keyr <= 4'hz;
else if(sfroe && (sfraddr == 7'h79)) keyr <= {key4,key3,key2,key1}; //8051从地址为0xf9的SFR读出数据
else keyr <= 4'hz;
end
assign sfrdatai = 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;
reg keyrden;
always @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) keyrden <= 1'b0;
else if(sfroe && (sfraddr == 7'h79)) keyrden <= 1'b1;
else keyrden <= 1'b0;
end
always @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) keyr <= 4'hz;
else if(keyrden || (sfroe && (sfraddr == 7'h79))) keyr <= {key4,key3,key2,key1}; //8051从地址为0xf9的SFR读出数据
else keyr <= 4'hz;
end
assign sfrdatai = keyr;
软件编程也很简单：
//自定义SFR
sfr LED = 0xf8; //低4bit控制LED亮暗
sfr KEY = 0xf9; //低4bit对应当前按键值
void main(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，没有等待时（即assign sfrack = 1'b1;），不断的对核外SFR写使能情况可以得到如图2所示的使能信号波形。两次上升沿之间240ns即一个指令周期（12个50MHz时钟周期），而读使能信号有效高脉冲为160ns，即8个时钟周期。
图2
Datasheet中标明的sfrack信号其实无法直接从例化的51硬核中找到接口，于是特权同学干脆直接生成的IP核例化文件中把它手动引出来了，在自定义逻辑中对这个信号做了一些测试，也发现了该信号的使用方法。
代码如下：
reg[7:0] sfcnt; //延时等待计数器，以50MHz为时钟单位计数
wire sfrack; //SFR 读写等待信号
always @(posedge clk_50m or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) sfcnt <= 8'd0;
else if(sfrwe) sfcnt <= sfcnt+1'b1;
else sfcnt <= 8'd0;
end
assign sfrack = (sfcnt == 0) | (sfcnt > 8'd23);
//等待n个指令周期，则sftcnt要大于(n*12-1)
该代码实现在sfrwe即SFR寄存器写选通信号到来后，用计数器sfcnt进行计数，然后相应的对需要延时等待的8051指令周期数通过控制sfrack为低电平实现。
分别设置了sfcnt>8’d16、sfcnt>8’d24、sfcnt>8’d23得到sfrwe的波形如图3、图4、图5所示。
图3
图4
图5
由此可见，这里延时等待的时间必须刚好是指令周期。即系统指令周期为20ns*12=240ns，那么我们外部计数周期也是20ns的情况下，一般取等待时钟数为12的倍数即可。否则就会出现图3和图4的“毛刺”，其中原因特权同学不好妄下定论，恐怕和器件本身的内部处理机制有关。
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