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发表于 2010-10-14 09:06:10
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[笔记].浅析在Nios II中的两种寄存器映射方法的异同.[Nios II]
http://www.cnblogs.com/yuphone/archive/2010/04/22/1717779.html
此处以我所写的MAX7219为范例，从HDL接口描述到C语言软件编程，分析两种表面不一样、但实质是一样的寄存器映射方法，找出其中联系与区别。
方法1 使用Altera提供的API
1. 使用HDL描述Avalon-MM接口
代码1 Amy_S_max7219_avalon_interface.v
01 /*-----版权声明-----
02 * 艾米电子工作室——让开发变得更简单
03 * 网站：http://www.amy-studio.com
04 * 淘宝：http://amy-studio.taobao.com
05 * QQ（邮箱）：amy-studio@qq.com
06 *-----文件信息-----
07 * 文件名称：Amy_S_max7219_avalon_interface.v
08 * 最后修改日期：3.20, 2010
09 * 描述：Max7219的Avalon接口描述文件
10 *------------------
11 * 创建者：张亚峰
12 * 创建日期：3.20, 2009
13 * 版本：1.0
14 * 描述：原始版本
15 *------------------
16 * 修改者：
17 * 修改日期：
18 * 版本：
19 * 描述：
20 *-------------------
21 */
22
23 module Amy_S_max7219_avalon_interface(
24 // Clcok Input
25 input csi_clk,
26 input csi_reset_n,
27 // Avalon-MM Slave
28 input avs_chipselect,
29 input [1:0] avs_address,
30 input avs_write,
31 input [31:0] avs_writedata,
32 // Conduit End
33 output reg coe_din,
34 output reg coe_cs,
35 output reg coe_clk
36 );
37
38 // write
39 always@(posedge csi_clk, negedge csi_reset_n)
40 begin
41 if (!csi_reset_n)
42 begin
43 coe_din <= 1'b0;
44 coe_cs <= 1'b0;
45 coe_clk <= 1'b0;
46 end
47 else if (avs_chipselect & avs_write)
48 begin
49 case (avs_address)
50 0: coe_din <= avs_writedata[0];
51 1: coe_cs <= avs_writedata[0];
52 2: coe_clk <= avs_writedata[0];
53 endcase
54 end
55 end
56
57 endmodule
在这里，使用了3个寄存器，并通过avs_address来寻址。从50~52行，可以看出，这三个寄存器的偏移地址（Offset）分别是0、1和2。
2. 使用C语言编写寄存器映射文件
代码2 Amy_S_max7219.h 片段
01 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
02 // 寄存器映射 开始
03 // 根据HDL编写
04 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
05 #include <io.h></io.h>
06
07 #define IOWR_MAX7219_DIN(base, data) IOWR(base, 0, data)
08 #define IOWR_MAX7219_CS(base, data) IOWR(base, 1, data)
09 #define IOWR_MAX7219_CLK(base, data) IOWR(base, 2, data)
10 //--------------------------------------
11 // 寄存器映射 结束
12 //--------------------------------------
由于是使用ALtera的API——IOWR()，因此第5行，就得加上#include <io.h>。IOWR(base, offset, data)的3个输入参数，分别是IP的基地址，所使用寄存器的偏移地址，欲给所使用寄存器赋的值。寄存器的存储映射所使用的偏移地址，是有HDL中 avs_address决定的。（avs avalon slave 阿窝龙从设备）
代码3 Amy_S_max7219.h 片段
代码描述：使用上面的已经映射好的函数
01 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
02 // 基地址 开始
03 // 根据SOPC Builder设置编写
04 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
05 #include "system.h"
06
07 #define max7219_addr MAX7219_BASE
08 //--------------------------------------
09 // 基地址 结束
10 //--------------------------------------
11
12
13 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
14 // 寄存器映射 开始
15 // 根据HDL编写
16 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
17 #include <io.h></io.h>
18
19 #define IOWR_MAX7219_DIN(base, data) IOWR(base, 0, data)
20 #define IOWR_MAX7219_CS(base, data) IOWR(base, 1, data)
21 #define IOWR_MAX7219_CLK(base, data) IOWR(base, 2, data)
22 //--------------------------------------
23 // 寄存器映射 结束
24 //--------------------------------------
25
26
27 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
28 // 管脚操作 开始
29 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
30 #define SET_DIN IOWR_MAX7219_DIN(max7219_addr, 1)
31 #define CLR_DIN IOWR_MAX7219_DIN(max7219_addr, 0)
32 #define SET_CS IOWR_MAX7219_CS(max7219_addr, 1)
33 #define CLR_CS IOWR_MAX7219_CS(max7219_addr, 0)
34 #define SET_CLK IOWR_MAX7219_CLK(max7219_addr, 1)
35 #define CLR_CLK IOWR_MAX7219_CLK(max7219_addr, 0)
36 //--------------------------------------
37 // 管脚操作 结束
38 //--------------------------------------
代码4 Amy_S_max7219.c代码片段
代码描述：使用Altera API的具体操作
01 #include "Amy_S_max7219.h"
02
03 /*
04 * 发送一个字节的子程序：
05 * 上升沿发送数据，
06 * MSB first
07 */
08 void Max7219_WriteByte(alt_u8 byte)
09 {
10 alt_u8 i;
11 for (i=0; i<8; i++)
12 {
13 CLR_CLK;
14 if(byte & 0x80)
15 SET_DIN;
16 else
17 CLR_DIN;
18 byte <<= 1;
19 SET_CLK;
20 }
21 }
至此，使用Altera的API来描述寄存器存储映射的方法，告一段落。
方法2 使用位域或结构体
其实这种方法，Altera的API的源代码有时也会用到。但是有一个地方需要注意，后面会提到。
1. 使用HDL描述Avalon-MM接口
如上。
2. 使用C语言编写寄存器映射文件
代码4 Amy_S_max7219.h 片段
01 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
02 // 寄存器映射 开始
03 // 根据HDL编写
04 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
05 #include "system.h"
06 #include "alt_types.h"
07
08 typedef struct
09 {
10 alt_u32 DIN : 32;
11 alt_u32 CS : 32;
12 alt_u32 CLK : 32;
13 }MAX7219_T;
14
15 #define m7219 ((MAX7219_T *)(MAX7219_BASE))
16 //--------------------------------------
17 // 寄存器映射 结束
18 //--------------------------------------
因为Nios II是32位的处理器，所以之前定义了3个寄存器，都是32位的。此处为了表达这种关系，我们使用了位域。将这个位域（或结构体）重定义为一个类型，然后定义一个该类型的指针变量，起始地址是所需的基地址。这样做，就可以很好地为从基地址开始的连续的3x32位数据寻址（此处为3个寄存器，故数据总长3x32)。
代码5 Amy_S_max7219.c代码片段
代码描述：使用结构体指针寻址示例
01 /*
02 * 发送一个字节的子程序：
03 * 上升沿发送数据，
04 * MSB first
05 */
06 void Max7219_WriteByte(alt_u8 byte)
07 {
08 alt_u8 i;
09 for (i=0; i<8; i++)
10 {
11 m7219->CLK = 0;
12 if(byte & 0x80)
13 m7219->DIN = 1;
14 else
15 m7219->DIN = 0;
16 byte <<= 1;
17 m7219->CLK = 1;
18 }
19 }
哈哈，是不是可以直接赋值了，更加像单片机了吧。其实Nios II就是单片机，32位的单片机。
做到这里，有些实验者在开发板上演练时，确实成功了；然而有些没有成功？这是为什么呢？我们先看参考资料1。
代码6 两种寄存器存储映射所对应的汇编
01 IOWR=32DIRECT(GPIO_LED_BASE, 0, 1);
02 0x04000234 <main></main>: movhi r3,2048
03 0x04000238 <main></main>: addi r3,r3,6144
04 0x0400023c <main></main>: movi r2,1
05 0x04000240 <main></main>: stwio r2,0(r3)
06
07 LED = 1;
08 0x04000224 <main></main>: movhi r3,2048
09 0x04000228 <main></main>: addi r3,r3,6144
10 0x0400022c <main></main>: movi r2,1
11 0x04000230 <main></main>: stw r2,0(r3)
看到没有，两种寄存器存储映射所对应的汇编不一样。看关键字，一个是stwio，一个是stw。接下来打开手册，Table 3-36。
表1 宽数据传输指令
手册上清楚地写到，I/O外设的数据传输应该使用ldwio和stwio；这两条指令在传输时，是没有cache和buffer的。那怎样让结构体指针的寄存器映射方式也能使用ldwio和stwio呢。接着看手册，在98页，Cache Memory小节，写到
 。那还有其他方法来实现cache bypass吗？第38页写到：
图1 Cache Bypass Method
图2 The Bit-31 Cache Bypass Method
好的，看代码。
代码7 system.h片段
1 #define ALT_MODULE_CLASS_max7219 Amy_S_max7219
2 #define MAX7219_BASE 0x1002020
3 #define MAX7219_IRQ -1
4 #define MAX7219_IRQ_INTERRUPT_CONTROLLER_ID -1
5 #define MAX7219_NAME "/dev/max7219"
6 #define MAX7219_SPAN 16
7 #define MAX7219_TYPE "Amy_S_max7219"
MAX7219_BASE=0x1002020，第31位是0；因此我们用结构体指针来寄存器存储映射时，传输的数据因数据缓存而出错。那我们就把这个Cache给Bypass（旁路）了。怎么办？把地址总线的第31位置一。
代码8 修改后的Amy_S_max7219.h片段
01 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
02 // 寄存器映射 开始
03 // 根据HDL编写
04 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
05 #include "system.h"
06 #include "alt_types.h"
07
08 typedef struct
09 {
10 alt_u32 DIN : 32;
11 alt_u32 CS : 32;
12 alt_u32 CLK : 32;
13 }MAX7219_T;
14
15 #define m7219 ((MAX7219_T *)(MAX7219_BASE | 1<<31))
16 //--------------------------------------
17 // 寄存器映射 结束
18 //--------------------------------------
在这里，我们直接通过或(1<<31)的方式，把第31位给置一了；这样从该基地址传输的数据就把数据缓存给旁路了；因为是I/O外设传输嘛。
好了，至此大功告成。我们可以自由切换喜欢的寄存器映射方式。
3. 一点其他内容
有时候我们所使用的寄存器并不一定都是32位的，这时要使用嵌套结构体来凑足32位，以防止寄存器寻址错误。
代码9 嵌套结构体示例
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01 typedef struct{
02 struct{
03 alt_u8 DIN : 8;
04 alt_u32 NC : 24;
05 }offset_0;
06 struct{
07 alt_u8 CS : 1;
08 alt_u32 NC : 31;
09 }offset_1;
10 struct{
11 alt_u8 CLK : 1;
12 alt_u32 NC : 31;
13 }offset_2;
14 }MAX7219_T;
关于嵌套结构体，此处不解析，请读者自行分析。
对比
两种方法都不错，大家爱用什么就用什么。
参考
1. http://www.edaboard.com/ftopic354136.html
2. Altera.Nios II Processor Reference Handbook
http://www.altera.com/literature/hb/nios2/n2cpu_nii5v1.pdf |
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