作者：Alan Yang，DigiKey 员工
本系列文章的主要目标是开发一种在微控制器(uC)和现场可编程门阵列(FPGA)之间快速可靠地传输数据的机制。在本系列文章中，我们将描述通信协议和相关帧的属性。
设计uC到FPGA接口的方法有很多。让我们先建立一套通用的设计要求来框定这个对话:
请注意，FPGA资源的最小利用率不是设计要求之一。本系列的 第1部分将探讨这种明显遗漏的原因。回想一下，所有FPGA模块输出都是在时钟域内注册和同步的。这种设计规定被认为是一种可接受的权衡，平衡FPGA结构的消耗与设计稳定性和减少故障排除时间。虽然本文中描述的RTL没有经过优化，但它只消耗了Digilent Basys 3 的Xilinx Artix-7 XC7A35T-1CPG236C FPGA中可用总资源的一小部分。
协议的概念
设计及其需求最好通过硬件和数据协议进行可视化。这类似于开放系统互连(OSI)模型的第一层和第二层。第一层物理层描述电气规范。在本设计中，低线数意味着我们可以使用I2C, SPI，双SPI，甚至四路SPI。从这些选项中，SPI脱颖而出，因为它允许全双工通信，并且很容易从uC内部编程。顺便说一句，我们假设FPGA可以比uC更快地处理数据，从而消除了对流量控制机制的需求。
第2层数据链路级别要求我们定义一个数据交换的协议。这一层关注的是将数据分成适当大小的块，以及适当的报头和错误检测。请注意，第2层和第1层是相互独立的，因为第2层不直接与第1层指定的电接口有关。在未来，这可能允许我们的SPI接口被四SPI甚至八SPI所取代，前提是保留层之间的字节级接口。
据我所知，目前还没有使用SPI进行数据交换的既定协议。设备特定的实现是规范。例如，传感器可能有制造商或设备特定的协议来读取和写入数据。这将包括涉及单个或块寄存器的数据交换规则。选择的设备可能包含循环冗余检查(CRC)，允许对数据读写操作的数据完整性进行测量。最后，大多数SPI设备都使用半双工协议。一个典型的SPI传输从一个包含读/写标志的字节开始。然后，设备将对后续的时钟八字节采取适当的动作。在MOSI和MISO线上发现同时传输的全双工是很少见的。
从uC的角度来看，一个全双工SPI主控是每个实现。这是一个Arduino实现，包括芯片选择信号内SPI传输的帧。
// prepare buf for SPI transmission
// append CRC
digitalWrite(CS_PIN, LOW);
SPI.transfer(buffer, bufferSize); // full-duplex: each uC byte in buff is replaced with an FPGA byte
digitalWrite(CS_PIN, HIGH);
// verify and handle CRC
// unpack and handle FPGA data
802.3帧对SPI的适配
在我们继续之前，有必要检查一下802.3以太网帧，因为它是SPI协议的起点。如图1所示，以太网帧以包含前言、MAC目的地加源和长度字段的报头开始。接下来是有效载荷，它可以从46到1500字节不等。后面是一个32位的CRC码。
图1:简化的802.3以太网帧。
我们可以减小以太网帧的尺寸，以更好地适应uC到FPGA的接口。有了SPI，就不需要序言和寻址了。SPI CS_not控制线和SPI的一对一特性使这些字段冗余。大小字段和可变长度的有效载荷是需要保留的特性。这将允许uC读取或写入单个FPGA寄存器。它还将允许传输一个数据块。最后，CRC将允许对数据进行验证。
出于我们的目的，字段的大小可能会减少。一个合理的折衷办法是使用单个字节来标识有效载荷的长度。这自然将帧的长度限制为256个元素，包括报头和CRC的空间。考虑到帧长度的减少，16位CRC是合理的。
均衡消息类型要求
回想一下，SPI提供了一个全双工通信通道。如上所示，从uC编程的角度来看，这并不过于复杂。然而，为了利用这种全双工模式，我们现在必须确定如何处理FPGA内部的特定硬件。
要使用这种方法，FPGA硬件必须是可寻址的。例如，FPGA训练板的led可能与一个基址相关联-安装在Basys 3上的16个led的两个字节。电路板的16个滑动开关可以与另外两个地址相关联。有了这种结构，FPGA就像uC的另一个外设一样。uC通过SPI使用帧协议对FPGA硬件进行读写。
在本文的其余部分中，我们将把FPGA硬件称为外设。这反映了uC通过SPI接口有效地使用FPGA作为高性能外设的设计。
设计要求之一是可扩展性，能够处理几个到几千个FPGA寄存器。考虑到这一要求，一个字节宽度的地址将我们限制在256个项目中过于狭窄。然而，2字节宽的接口是可以接受的，因为它允许uC在FPGA内寻址多达65536个项目。
我们可以在这一点上停下来，并为我们的SPI帧确定一个报头。它将包含指示命令类型(读或写)的一个字节、有效载荷长度的一个字节、地址的两个字节、可变长度的有效载荷和CRC。对应的长度为4字节，负载最大可达250字节，CRC为2字节。
这对于很多设计来说可能已经足够了。然而，这种方法隐含了半双工的假设。要了解原因，请考虑与SPI转移相关的因果关系。假设控制板的16个led灯的寄存器位于基址0x0200。如果我们要在这个寄存器上启动SPI传输，我们将有效地读取FPGA寄存器，然后向其写入。读取操作将是毫无意义的，因为它将包含旧数据。在这里，我们假设在所有FPGA寄存器上实现双缓冲，以防止与多字节寄存器更新相关的不稳定。
对于全双工，我们需要添加另一个寻址字段。假设我们有一个寄存器，它保存位于地址0x0202的FPGA板的开关状态。如果我们在帧中添加另一个寻址字段，我们现在可以执行有意义的读写操作。
我们现在可以读取开关状态，同时更新led灯。
新的报头长度为5个字节，有效载荷可达249个字节，CRC为2个字节。注意，命令字节不再是必需的了。
仔细比较这两个选项，就会发现一个字节的差异。具有读/写命令字节的半双工帧需要8字节的传输才能写入FPGA板的16个led。相应的全双工操作则需要9个字节。然而，该设计现在可以同时读取开关并写入led。根据你的看法，我们要么在这个过程中浪费了一个字节，要么节省了八个字节加上与事务相关的时间开销。
在考虑了这些设计权衡之后，我们将专门关注全双工选项。uC开销和FPGA编程开销是无关紧要的。小载荷传输的速度差异是最小的。对于大载荷，这种变化是无关紧要的。
这种全双工协议有一个缺点，必须加以识别。事实上，现在每一次数据传输都涉及到一次写操作。有时这样做会很不方便。我们将保留从0xFF00到0xFFFF位置的FPGA地址的空/非功能块，而不是混淆写操作。当需要进行只读内存操作时，uC将“写”到这个空位置。通过这种简单的修改，全双工操作可以作为半双工读操作来操作。
向FPGA写入和读取
全双工uC到FPGA协议的命令和响应帧如图2所示。报头内容在帧之间密切相关。我们看到读地址和长度报头信息在响应中得到呼应。注意，有一个与响应相关的因果关系问题。由于字段是同时进行逐字节传输的流，因此响应将被延迟。例如，作为发送的第一个字节的长度字段不能作为响应中的第一个字段，因为当FPGA锁定要发送的第一个字节时，它尚未被接收。这不是一个问题，因为写地址对响应帧并不重要。相反，FPGA可以发送程序特定的标志，而uC正在流式传输第一个字节的长度。
帧字段的其余部分是类似的。FPGA响应将从基读地址开始流式传输数据。同时，FPGA将同时将uC数据移动到临时缓冲区。计算出相应的CRC并附加到帧中。
图2:命令帧和响应帧之间的关系。
命令帧的数据完整性
CRC提供了数据完整性的度量。回想一下，CRC是应用于帧内容的。让我们从uC的角度来考虑这个三步流程。uC将首先准备一个带有相关数据的帧缓冲区。然后，它将调用一个函数来计算并将CRC追加到缓冲区。最后，uC将调用函数通过SPI传输数据。
FPGA将把流数据放入缓冲区，同时计算命令帧CRC。当帧完成后，FPGA将比较接收到的和计算得到的命令帧CRC。如果它们匹配，FPGA将快速地将数据从缓冲区传输到相关的硬件寄存器。这是一个相对快速的操作，需要大约5个uS来完成一个完整的负载。如果接收到的和计算的CRC不一致，FPGA将丢弃帧。它还会触发帧错误机制。
包含一个帧错误计数器用于故障排除，如图2响应帧所示。还可以增加从FPGA到uC的物理线的规定。这将允许uC快速检测并响应帧错误。
FPGA临时帧缓冲器的重要性怎么强调都不为过。在CRC验证之前，FPGA不会对新数据采取行动。这个重要的主题将在另一期文章中讨论。
响应框架的数据完整性
响应框架的完整性需要在uC中仔细编程。我们必须首先认识到，在命令帧被验证之前，FPGA将立即响应uC读取请求。因此，由uC来验证FPGA开发数据的完整性以及FPGA对命令的理解。这是通过响应帧中的帧长度和基读地址的回声来完成的。uC可以通过比较响应帧和命令帧中的数据来识别错误。
例如，假设从uC到FPGA的命令帧的读地址字段中有一个位错误。在uC到FPGA的写入操作中有一个很好的完整性措施，因为错误有非常高的可能性被FPGA的CRC机制检测到。FPGA将忽略该帧。同时，我们必须考虑与FPGA并行结构相关的因果关系。
FPGA将在它知道命令帧损坏之前很久流式传输读取的数据。事实上，它会尽职尽责地从错误的读地址开始流式传输数据。它甚至会向帧追加一个有效的CRC。
当事务完成时，uC将拥有响应框架的完整副本。在采取行动之前，它必须验证数据。这是一个两步走的过程:
1. uC必须首先验证发送和接收字段的长度和读地址是否匹配。
2. 然后，它必须验证响应帧的CRC。
当这两个操作完成后，uC可以采取适当的措施来处理通信错误。
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