MCU与CPLD可以通过AHB或APB总线进行数据交互。APB总线通常连接低速设备，如串口，而AHB总线则用于连接高速设备，如RAM等。由于我们需要高速采集大量数据，因此选择使用AHB总线与CPLD进行交互。
地址范围
在地址设计中，CPLD的地址区间设定为：0x60000000 ~ 0x7FFFFFFF。当MCU访问这个地址区间时，实际上是在访问CPLD内部的寄存器。
AHB介绍
https://blog.csdn.net/weixin_46022434/article/details/104987905
REG <-> MCU
MCU侧读写操作
MCU通过全局寻址机制来访问CPLD，其读写CPLD寄存器的方式与访问RAM（例如地址为0x20000000）相同。在C代码中，CPLD的访问操作可以通过如下方式实现
- 读CPLD寄存器：
int cpRdReg = *((int *)0x60000000); - 写CPLD寄存器：
*((int *)0x60000004) = cpWtReg;
MCU侧的读写非常简便，直接使用上述方式即可完成操作。
CPLD侧读写
相关信号定义
assign slave_ahb_hready = 1'b1;
reg hreadyout_reg;
reg hreadyout_del;
assign mem_ahb_hreadyout = hreadyout_reg;
信号hreadyout_del是信号hreadyout_reg延迟一个时钟周期的状态，主要用于协调AHB总线握手过程中的写操作。它确保从设备在准备好接收数据时进行操作，避免竞争条件的发生，从而确保数据正确写入hwdata_reg寄存器。
CPLD从AHB读数据
MCU执行写操作时，C代码示例如下：
*((int *)0x60000000) = value;
CPLD中相应的硬件逻辑如下：
//mcu的写操作响应
//mcu端用C语言：*((int *)0x60000000) = value;
reg [7:0] hwdata_reg; //定义32位的hwdata_reg
always @(posedge sys_clock or negedge resetn) begin //clk上升沿触发if (!resetn) begin//led3reg <= 1'b1;hreadyout_reg <= 1'b1;end else if(mem_ahb_htrans == 2'b10 && hreadyout_reg) begin //写地址为0x60000000（cpld内部用相对偏移）。hreadyout_reg <= 1'b0;//led3reg <= 1'b0;end else if(!hreadyout_del && //cpld已ready状态，ahb上数据可以写过来了mem_ahb_hwrite && //写 （0 读，1 写）mem_ahb_haddr[23:0] == 'h00) beginhwdata_reg <= mem_ahb_hwdata; //把收到的数据给到hwdata_reghreadyout_reg <= 1'b1;//led3reg <= 1'b1;end else beginhreadyout_reg <= 1'b1;end
endalways @ (posedge sys_clock or negedge resetn) beginif (!resetn) beginhreadyout_del <= 1'b1;end else beginhreadyout_del <= hreadyout_reg;end
end
通过这些代码，我们确保了MCU写入0x60000000的数据能够准确地传输到CPLD。
CPLD向AHB写数据
MCU的读操作C代码如下：
int value = *((int *)0x60000004);
CPLD中对应的逻辑如下：
//mcu的读操作响应
//mcu端用C语言：int value = *((int *)0x60000004);
reg [7:0] hrdata_reg; //定义32位的hrdata_reg
always @(posedge sys_clock or negedge resetn) begin //clk上升沿触发if (!resetn) begin//led4reg <= 1'b1;end else 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）。beginhrdata_reg <= hwdata_reg; //把另一准备好的数据给到hrdata_reg//led4reg <= 1'b0;end
end
assign mem_ahb_hrdata = hrdata_reg; //绑定hrdata_reg到读的数据线上
通过这些代码，我们确保了MCU能够从CPLD准确读取0x60000004的数据。
FIFO IP <-> AHB
我们在设计中创建了一个FIFO IP核，并将其挂载到AHB总线上，以实现MCU对FIFO的读写访问。
FIFO IP配置
FIFO是先入先出，设计如下：
FIFO的设计为先入先出队列，配置如下：
- 位宽设置为8位
- 存储深度设置为4096，以充分利用4个M9K存储块
- 其余参数保持默认配置，不使用
empty和usedw信号。
值得注意的是，FIFO的读写时序上，读取数据时输出会滞后一个时钟周期。
FPGA代码设计
参考cpld-fpga文档中的5.mcu读写cpld寄存器。
这里的设计需要参考AHB的时序图，由于AHB总在线上升沿进行数据读写操作，而FIFO也是在上升沿进行操作，因此我们将系统时钟反相后输入FIFO，以确保时序的一致性。
此外，AHB在传输数据时，数据与地址并非处于同一时钟周期内，数据会滞后一个时钟周期，因此我们给hreadyout 一个时钟周期的延时，从而确保AHB传输过来的数据被正确接收。此外，由于FIFO是在sys_clk下降沿进行数据读写，所以会滞后AHB数据读取一个周期，因此需要对wr_en进行一个周期的延时操作。
而在读取FIFO数据时，不需要hreadyout，FIFO的数据输出直接提供给AHB总线。
module user_ip (input sys_clock,input bus_clock,input resetn,input stop,input [1:0] mem_ahb_htrans,input mem_ahb_hready,input mem_ahb_hwrite,input [31:0] mem_ahb_haddr,input [2:0] mem_ahb_hsize,input [2:0] mem_ahb_hburst,input [31:0] mem_ahb_hwdata,output tri1 mem_ahb_hreadyout,output tri0 mem_ahb_hresp,output tri0 [31:0] mem_ahb_hrdata,output tri0 slave_ahb_hsel,output tri1 slave_ahb_hready,input slave_ahb_hreadyout,output tri0 [1:0] slave_ahb_htrans,output tri0 [2:0] slave_ahb_hsize,output tri0 [2:0] slave_ahb_hburst,output tri0 slave_ahb_hwrite,output tri0 [31:0] slave_ahb_haddr,output tri0 [31:0] slave_ahb_hwdata,input slave_ahb_hresp,input [31:0] slave_ahb_hrdata,output tri0 [3:0] ext_dma_DMACBREQ,output tri0 [3:0] ext_dma_DMACLBREQ,output tri0 [3:0] ext_dma_DMACSREQ,output tri0 [3:0] ext_dma_DMACLSREQ,input [3:0] ext_dma_DMACCLR,input [3:0] ext_dma_DMACTC,output tri0 [3:0] local_int
);assign slave_ahb_hready = 1'b1; reg hreadyout_reg;
reg hreadyout_del;assign mem_ahb_hreadyout = hreadyout_reg;// Internal signals
reg [7:0] data_in;
wire [7:0] data_out;
reg wr_en;
reg wr_en_del;
reg rd_en;assign mem_ahb_hrdata = {24'b0, data_out}; // Zero-padding upper bitsreg [1:0] state;//addr phase 00:idel 01:write 10:read// AHB state machine
always @(posedge sys_clock or negedge resetn) begin //clk上升沿触发if (!resetn) beginhreadyout_reg <= 1'b1;wr_en <= 1'b0;end else if(mem_ahb_htrans == 2'b10 && hreadyout_reg) begin //写地址为0x60000000（cpld内部用相对偏移）。hreadyout_reg <= 1'b0;//led3reg <= 1'b0;end else if(!hreadyout_del && //cpld已ready状态，ahb上数据可以写过来了mem_ahb_hwrite && //写 （0 读，1 写）mem_ahb_haddr[23:0] == 'h00)beginhreadyout_reg <= 1'b1;data_in <= mem_ahb_hwdata[7:0];wr_en <= 1'b1;end else beginhreadyout_reg <= 1'b1;wr_en <= 1'b0;end
endalways @ (posedge sys_clock or negedge resetn) beginif (!resetn) beginhreadyout_del <= 1'b1;wr_en_del <= 1'b0;end else beginhreadyout_del <= hreadyout_reg;wr_en_del <=wr_en;end
end//mcu的读操作响应
//mcu端用C语言：int value = *((int *)0x60000004);
//reg [7:0] hrdata_reg; //定义32位的hrdata_reg
always @(posedge sys_clock or negedge resetn) begin //clk上升沿触发if (!resetn) beginrd_en <= 1'b0;end else 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_regrd_en <= 1'b1;end else beginrd_en <= 1'b0;end
end
//assign mem_ahb_hrdata = hrdata_reg; //绑定hrdata_reg到读的数据线上fifo_ip fifo_ip_inst (.clock (~sys_clock),.data ( data_in ),.rdreq ( rd_en ),.wrreq ( wr_en_del ),.full ( full_sig ),.q ( data_out ));endmodule
最后综合出来的rtl网表如下图所示：
MCU代码
为了测试FIFO是否能正常工作，我们通过USB串口写入16个数据，然后读取并验证数据是否正确：
if ( tud_cdc_available() ){// read dataunsigned char buf[16] = {0};uint32_t count = tud_cdc_read(buf, sizeof(buf));(void) count;for(int i = 0; i < 16; i++){*((char *)0x60000000) = buf[i];//asm("nop");}unsigned char buf2[16] = {0};for(int i = 0; i < 16; i++){buf2[i] = *((char *)0x60000004);//asm("nop");}cdc_transfer(buf2, 16);}
从输出结果可以看到，接收到的数据与我们写入的数据完全一致，说明FIFO功能正常。
