AG32 MCU+CPLD 联合编程（案例描述）

一、CPLD控制PIN脚（LED闪烁）

功能描述：在 CPLD里驱动两个led灯的闪烁。

这是第一个使用到MCU+ CPLD联合编程的样例，也是最简单的一个。在这个样例中，MCU部分屏蔽掉对LED灯的控制，然后在 CPLD里来驱动两个LED灯的闪烁。

通过这个样例，会了解到：

1.从头到尾新建一个 CPLD工程；

2. CPLD中如何和外部PIN脚关联;

3.如何通过CLK来驱动LED的闪烁。

准备工作：复制上一份example工程作为试验工程；然后屏蔽掉main()函数中对TestGpio()的调用，改为while(1)；放开platformio.ini文件中的ip_name和logic_dir两个选项（该动作为：开启自定义logic功能），如图：

这里添加的 LED_D3 PIN_32:OUTPUT #LED2 解释如下：

LED_D3: 这里是CPLD中用到的信号名称

PIN_32: 正常的管脚名字

OUTPUT: 对CPLD来说是输出的方向。除了OUTPUT，还有INPUT和INOUT。通过这些关键字限制信号的输出方向。

#: VE中的注释符。

整行的意思是：定义一个LED_D3的信号（cpld的信号）绑定到Pin32脚上。当LED_D3高低变化时，Pin32将跟着变化。

2. 建立CPLD空工程（使用prepare LOGIC命令）并编写逻辑

点击VSCode左边栏的 prepare LOGIC，则自动生成空的CPLD工程。该CPLD工程在logic文件夹下。（如果不熟悉，请回看上节描述）

此时，打开quartus工程，可以看到 user_ip 中包含了上边定义的 LED_D3和LED_D2 两项：

然后，可以在该user_ip的模块外边（即：endmodule 之后）添加led模块代码如下：

此时，user_ip.v文件里其实有两个moudle: user_ip 和 led。

接下来，让led模块在user_ip模块内实例化，让两模块关联起来即可。

即：在 user_ip的module内添加led的实例化 如下：

这里的操作过程如果还是不理解，请联系海振远科技获取样例工程。

3. Quartus下进行工程转换

点击Quartus下的tools->TCL Scripts（如果不熟悉，参考上节介绍），等待转换编译完成。

4. Supra下编译出最终的logic.bin

再打开Supra软件，对该CPLD工程进行编译（如果不熟悉，参考上节介绍），等待编译完成。

到这里，全部编译logic的动作完成。

接下来，对该logic进行烧录、对code进行编译并烧录。开发板重新上电后，就可以看到2个led灯的闪烁了。

回顾：

1.对用户逻辑来说，总入口就是user_ip的module；

2.这里新建了一个led的module，里边使用了user_ip的两个led信号和sysclk信号；

3.led内部对sysclk进行了分频的使用；

二、mcu通过CPLD控制pin脚

功能描述：MCU通过gpio控制CPLD的信号，然后再传递到PIN脚。实现“MCU <-> CPLD <-> PIN”的控制逻辑。

之前单纯用MCU时，是在VE文件里直接定义gpio到PIN的映射。定义该映射后，MCU来操作gpio的高低，就控制了LED灯的亮灭。

现在是在之前的控制中，增加一个CPLD的环节。

具体样例中，用MCU的gpio（gpio4_1）来输入信号到CPLD，然后CPLD把这个信号关联到2个pin上（开发板的2个led），然后MCU中切换gpio4_1时，两个led灯交替闪烁。

通过这个案例，可以了解到：

1.MCU的信号如何传递到CPLD

2.CPLD如何反向控制MCU信号

在MCU和CPLD的交互中，两者之间传递信息的方式大致分为四种：

1. MCU传递信号给CPLD；（如：MCU的gpio传递高低信号到CPLD）

2. cpld传递信号给MCU；（如：CPLD对MCU产生中断信号）

3. MCU读写寄存器方式操作CPLD数据；

4. 不建议，CPLD做为主设备对MCU进行读写。

也就是说，在MCU和CPLD交互中，CPLD更像一个“外设”。

其中，前两种较为简单。后两种要使用AHB总线来操作。这个案例中讨论的就是这里的方式1.（方式2也会顺便讨论）

新建工程的过程，这里不再描述。只描述需要注意的改动点。

1. VE中定义3个信号：

LED_TEST1 PIN_31 # LED3

LED_TEST2 PIN_32 # LED2

GPIO4_1 iocvt_chn:OUTPUT

其中前两个是CPLD中信号到引脚，第三个是MCU到CPLD信号。

2. prepare LOGIC生成CPLD工程后，可以看到user_ip接口处的定义：

inout LED_TEST1,

inout LED_TEST2,

input iocvt_chn_out_data,

input iocvt_chn_out_en,

3.在user_ip.v中关联下信号:

assign LED_TEST1 = iocvt_chn_out_data;

assign LED_TEST2 = !iocvt_chn_out_data;

这样，

当iocvt_chn_out_data为高时，LED_TEST1为高，即PIN_31为高，led3亮

当iocvt_chn_out_data为高时，LED_TEST2为低，即PIN_32为低，led2灭

4.在mcu代码里，初始化gpio4_1并toggle切换：

SYS_EnableAPBClock(APB_MASK_GPIO4);

GPIO_SetOutput(GPIO4, GPIO_BIT1);

while (1) {

UTIL_IdleUs(200e3);

GPIO_Toggle(GPIO4, GPIO_BIT1);

}

然后就可以看到一个gpio4_1控制两个led灯交替闪烁。

如需样例工程，请联系海振远科技获取。

回顾：

1.在VE里定义了2个CPLD信号到Pin脚，1个MCU到CPLD的信号；

2.在CPLD里，直接对MCU来的一个信号，绑定到2个CPLD信号上，传递给PIN脚；

描述完MCU控制CPLD信号，顺便描述下CPLD控制MCU信号。

这种方式和1相近，只不过是反向。

可以在MCU中定义gpio4_2为输入并使能中断，则CPLD中设置信号高低时，将触发MCU的gpio中断。（当然，这里也可以用local int，但还未整理，需要自己尝试实现）

1. 在VE中定义信号：

GPIO4_2 iocvt_chn:INPUT

表示，MCU的gpio（gpio4_2）信号将来源于CPLD的iocvt_chn。

2. prepare LOGIC工程后，可以看到analog_ip.v接口中的信号：

output iocvt_chn_in_data,

这里的iocvt_chn_in_data，就是对接到MCU的gpio4_2的信号。

当CPLD中控制iocvt_chn_in_data信号高低时，MCU中的gpio4_2对应变化。

MCU端gpio部分不再描述。较为简单，也不再举例。

从这个案例开始，需要了解AHB总线的基础知识了。如果对AHB总线不是很了解，可以自行百度再学习下。

这里只描述用到的部分：

在AG32芯片内部，可以认为：CPU、RAM、CPLD、DMA，这四个部分是挂在AHB总线下的。其他的外设都是挂在APB总线下的。

挂在AHB下的4部分，CPU、DMA、CPLD 这3个会成为master端，可能来抢占AHB总线。

在真实使用中，CPLD经常被用于slave端，有点类似于“外设”，但却是挂在AHB下的。既然CPLD是挂在AHB下的，那么它的接口就是要符合标准AHB访问协议的。

那么，当MCU来访问CPLD的数据时，CPLD就要根据这个接口来做对应的处理。

整个访问过程分为两部分：

1. MCU如何访问CPLD的“寄存器”；

2. 当MCU访问时，CPLD如何判别及响应；

分别描述。

1. MCU如何访问CPLD

这部分很简单。

AG32在对地址编码中，CPLD的地址区间设定为：0x60000000 ~ 0x7FFFFFFF

就像RAM的地址区间是 0x20000000 ~ 0x20020000，flash的地址区间是0x80000000 ~ 0x800x0000 一样。

当MCU对大于0x60000000这个区间内的地址访问时，解码器会自动丢给CPLD的接口。这时MCU就相当于访问了CPLD的“寄存器”。

MCU是全局寻址，对这个空间的访问和对RAM（0x20000000起）空间的访问是一样的方式，在C代码中，可以这样写：

读CPLD：int cpRdReg = *((int *)0x60000000);

写CPLD：*((int *)0x60000004) = cpWtReg;

MCU端读写CPLD，直接通过上述语句就可以了。理解和操作上都比较简单。

2. CPLD如何判别及响应

这部分描述起来比较麻烦。总体是：CPLD被AHB总线接口触发，并且回应要遵循AHB总线协议。

当上述MCU读写动作发生时，AHB总线会把动作拆解为读写信号，传递到analog_ip.v（新版本是user_ip.v）的接口，用户CPLD程序需要响应该信号。

以下，以写动作 *((int *)0x60000004) = cpWtReg 为例，描述cpld端会发生的事情。

回顾下analog_ip.v中的接口部分：

其中slave_ahb_开头的一组信号，是CPLD作为主端时用的，暂时不用理会。

Mem_ahb_开头的一组信号，是CPLD作为从端使用的。

当MCU有读写操作时，mem_ahb_这组信号将发生变化。

几个信号的概述（更详细的讲解请自行百度）：

Ahb_htrans: 当前传输类型（00: IDLE、01: BUSY、10: NONSEQ、11: SEQ）

Ahb_ready：mcu读时要mcu要准备好cpld才会写

Ahb_hwrite: 要读还是要写（1为写，0为读）

Ahb_haddr[32]: 要操作的地址

Ahb_hsize：transfer的大小，以字节为单位

Ahb_hburst：批量传输

Ahb_hwdata[32]：写的数据，32位

Ahb_hreadyout：输出信号，MCU写时CPLD是否准备好

Ahb_hresp：输出信号，响应信号（OK、retry、error、split）

Ahb_hrdata[32]：读的数据，32位

根据AHB时序，在一次传输中，CPLD（slave端）会先拿到addr地址，读/写的标记，然后交互ready信号后，开始数据传输。

大致如下图（无等待类型的图）：

比如，MCU要读0x60000004的寄存器：

MCU端直接C语言这样调用：int cpRdReg = *((int *)0x60000004);

CPLD端，可以根据以上信号做如下处理：

----------------------------------------------

//MCU的读操作响应
//MCU端用C语言：int value = *((int *)0x60000004);
reg [31:0] hrdata_reg; //定义32位的hrdata_reg
always @(posedge sys_clock) begin //clk上升沿触发
if (mem_ahb_htrans == 2'b10 && //NONSEQ状态，第一次传输
mem_ahb_hready && //master已ready，可以给数据线写入了
!mem_ahb_hwrite && //读 （0 读，1 写）
mem_ahb_haddr[23:0] == 'h04) //读地址为0x60000004（cpld内部用相对偏移）。
begin
hrdata_reg <= hwdata_reg; //把另一准备好的数据给到hrdata_reg
end
end
assign mem_ahb_hrdata = hrdata_reg; //绑定hrdata_reg到读的数据线上

-----------------------------------------------

以上代码，加入到analog_ip.v的module下，就可以完成CPLD对MCU读动作的响应。

比如，MCU要写0x60000000的寄存器：

MCU端直接C语言这样调用：*((int *)0x60000000) = value;

CPLD端，可以根据以上信号做如下处理：

----------------------------------------------

//MCU的写操作响应

//MCU端用C语言：*((int *)0x60000000) = value;

reg [0:0] isNewAction = 0;

reg [31:0] hwdata_reg; //定义32位的hwdata_reg
always @(posedge sys_clock) begin //clk上升沿触发
if (mem_ahb_htrans == 2'b10) //NONSEQ状态，第一次传输
begin
isNewAction <= 1;
end
if (mem_ahb_htrans == 2'b00 && //IDLE状态，真正开始写
isNewAction && //新动作
mem_ahb_hwrite && //写 （0 读，1 写）
mem_ahb_haddr[23:0] == 'h00) //写地址为0x60000000（cpld内部用相对偏移）。
begin
hwdata_reg <= mem_ahb_hwdata; //把收到的数据给到hwdata_reg
isNewAction <= 0;
end
end

//这个过程，是把MCU写进来的数据收到hwdata_reg中

-----------------------------------------------

这部分的实例代码，请联系海振远科技获取：

注意：这里展示的，仅仅是基于AHB总线上的数据交互。

在实际应用中，比如要实现一个串口之类的，往往是慢速设备，这些是要挂载到APB上的。慢速设备要经过AHB到APB的bridge，才能最终使用。请继续往下看。

四、MCU通过AHB转APB方式操作CPLD外设

上节讲述了MCU和CPLD之间交互数据的实现方式。

但数据是在AHB层面的响应，慢速设备不能直接使用。慢速设备需要AHB转为APB后，使用APB的信号来交互。这种情况，转变为MCU和APB 之间的交互。

MCU和APB之间的交互，相比MCU和APH之间的交互，多了一层AHB到APB的转换。 这个转换是借助于“桥”ahb2apb.v模块来实现的（在example/analog下找该.v文件）。

该模块：输入是AHB的一组信号，输出是apb的一组信号。使用如下图：

如果实现MCU和APB的交互，则需要操作的是转换后的这组APB信号。

关于APB总线的使用，更多信息请自行百度。这里只是简述下APB信号列表（与AHB略有不同）：

apb_psel：片选

apb_penable：表示传输进入第二周期（准备好了读/写）

apb_pwrite：传输方向（1-写；0-读）

apb_paddr[32]：地址总线，要操作的地址

apb_pwdata[32]：写的数据，32位

apb_prdata[32]：读的数据，32位

以下展示在APB下如何实现跟MCU的交互，仍以AHB的两个寄存器为例。

1. 首先需要增加AHB转APB的信号关联；

  如上图。

  Ahb2apb模块会把AHB信号转换为APB信号。接下来操作APB信号即可。

2. 在转换后的APB信号中，实现写和读的操作。

  MCU读操作时：

  比如，MCU要读0x60000004的寄存器：

  MCU端直接C语言这样调用：int cpRdReg = *((int *)0x60000004);

  CPLD端，可以根据以上信号做如下处理：

----------------------------------------------

//MCU的读操作响应
//MCU端用C语言：int value = *((int *)0x60000004);
reg [31:0] ardata_reg; //定义32位的hrdata_reg
always @(posedge apb_clock) begin //clk上升沿触发
  if (!apb_pwrite && //读 （0 读，1 写）
    apb_penable && //是否准备好
    apb_paddr[11:0] == ADDR_READ) //读地址为0x60000004（cpld内部用相对偏移）。
  begin
    ardata_reg <= awdata_reg; //把另一准备好的数据给到hrdata_reg
  end
end
assign apb_prdata = ardata_reg; //绑定hrdata_reg到读的数据线上

-----------------------------------------------

  MCU写操作时：

  比如，MCU要写0x60000000的寄存器：

  MCU端直接C语言这样调用：*((int *)0x60000000) = value;

  CPLD端，可以根据以上信号做如下处理：

----------------------------------------------

//MCU的写操作响应
//MCU端用C语言：*((int *)0x60000000) = value;
reg [31:0] awdata_reg; //定义32位的hwdata_reg
always @(posedge apb_clock) begin //clk上升沿触发
  if (apb_pwrite && //写 （0 读，1 写）
    apb_penable && //是否准备好
    apb_paddr[11:0] == ADDR_WRITE)//写地址为0x60000000（cpld内部用相对偏移）。
  begin
    TestLedCtrl <= !TestLedCtrl; //led灯切换，表示有写操作触发
    awdata_reg <= apb_pwdata; //把收到的数据给到hwdata_reg
  end
end
//这个过程，是把MCU写进来的数据收到hwdata_reg中

-----------------------------------------------

这个功能实现后，其实是个简单的“空外设”。可以用它做为实现复杂功能外设的基础。

这部分的实例代码，请联系海振远科技获取：

样例展示到这里，MCU和CPLD的交互上：交互信号、跟AHB交互数据、跟APB交互数据，基本的交互通路已经建立。

接下来，用户根据自己的需求，在CPLD中交互到数据后，编写自己需要的功能即可。

五、CPLD实现一个UartTx“外设”

功能描述：用CPLD实现一个Uart的tx功能，并且认为是一个“外设”。（注意：只是个简单的tx功能，没有rx，也没有更多的功能）

这个例程是对MCU于APB交互的进一步演练。在功能方面，包括：设置寄存器，读取寄存器。

它的CPLD实现逻辑，跟ADC样例思路是相同的，都是先AHB转APB，然后实例化外设，MCU写数据时APB接收后处理，MCU读数据时APB触发后处理。

读的时候，是读的串口的state状态；

写的时候，会把写的数据继续丢给uart模块处理（转化为IO的高低波形输出）

MCU端，在while(1)里边：

查询CPLD的写状态，当状态合适时，发数据给CPLD，CPLD根据时序转换为波形输出到定义的PIN。

更多细节，请参考CPLD工程中的代码和注释。

这部分的实例代码，请联系海振远科技获取。

这个样例完全理解完，就可以尝试读ADC的代码了。

在example/analog工程，展示了ADC模块做为外设，与MCU之间的数据交互（ADC采集后的数据，被MCU读取）。

相当于：ADC硬核+ADC的CPLD逻辑，实现了一个完整的“ADC外设”。

关于ADC/DAC/CMP的代码解析，请联系海振远科技获取。

六、DMA在CPLD中的使用

CPLD中实现DMA的逻辑：

MCU为master，CPLD为slave，MCU对CPLD的交互方式为存取寄存器的方式；

MCU中配置好DMA（读取CPLD中准备好的数据）；

CPLD中准备好数据后，触发DMA信号，DMA自动搬运到MCU指定的RAM；

搬运一次后，DMA给CPLD一个clear信号，完成一次DMA搬运；

等到CPLD中再次准备好数据，将再次触发DMA信号，重复3和4；

对于CPLD来说，MCU来读取数据和DMA来读取数据，是一致的，CPLD无从区分到底是MCU来读还是DMA来读。

DMA来读取时，只是每次读完后会多给CPLD一个clear信号。

这部分的实例代码，请联系海振远科技获取。

在这个样例中，展示了两部分代码：

MCU中，配置DMA读取；为了测试，mcu会在另一地址给CPLD写数据；

CPLD中，会对MCU写进来的数据缓存，缓存后触发DMA的信号，让DMA来读取数据。而DMA从CPLD里读取数据后会给CPLD一个clear信号，标志一次DMA交互完成。

七、CPLD中如何使用RAM

1. CPLD本身有自带的RAM：

CPLD内部自带RAM，为4个M9K块，每个M9K大小为8192 bits。

（即：4个M9K总空间为4K bytes）

更详细信息，请参考《AGRV2K_Rev2.0.pdf》中的说明：

使用M9K时，直接在Quartus下创建IP就可以了。

2. 使用MCU这边的RAM：

除了CPLD自带的内存，CPLD还可以使用MCU的内存sram。（这部分使用不太容易，如果CPLD基础薄弱，不建议使用）

AG32整个芯片系列，内存sram大小都是128K。

如果MCU用不了128K，希望分一些给CPLD来用，比如，分出来32K给CPLD。可以按照如下方式设置：

1. 限制MCU的使用，比如，让MCU只使用前96K；

限制MCU对RAM的使用，需要修改ld配置（分散加载相关）来实现。

在路径：AgRV_pio\packages\framework-agrv_sdk\misc\devices 下，在文件 AgRV2K_mem.ld 中可以看到定义如图：

如果只用96K，则修改上边的SRAM_SIZE = 96K 即可。

修改文件并保存后，需要重启VSCODE工程，让设置项使能。

2. CPLD中对后32K的使用；

CPLD使用后32K，起始地址是从0x20000000 + 96K的地址开始。

即：从0x20018000开始，长度32K，到0x20020000结束。

CPLD中对于sram的寻址方式和mcu相同。

CPLD对sram的读写，请参考：

SDK下的examples\custom_ip\logic\ram2ahb.v 和 ahb2ram.v

如果想共用MCU的一段sram，在这段RAM中，比如CPLD只写，MCU只读，也可以。只需要MCU那边强制访问这片区域就行了。

联系海振远科技

电话:0755-2780 9180;  15323895320;

邮箱: tech@hizyuan.com

Lucy@hizyuan.com