探秘HPM6200系列MCU的可編程邏輯陣列

一、HPM6200 系列 PLA 整體結(jié)構(gòu)

HPM6200 系列的 UM 中帶有 PLA 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。為了方便大家把握整體結(jié)構(gòu)，我也繪制了一個(gè)稍微更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖，將 PLA 外設(shè)中的大部分元素都展示出來，并給出了單個(gè)通道內(nèi)的具體結(jié)構(gòu)。



從總體來看，PLA 外設(shè)擁有 8 輸入、8 反饋、8 輸出，其中 8 輸入、8 反饋是內(nèi)部的 8 個(gè)通道共享，8 輸出則是每個(gè)通道使用一個(gè)。輸入、輸出均連接到 TRGM 外設(shè)，再通過 TRGM 連接到定時(shí)器、編碼器、外部引腳等地方。需要注意的是，PLA 的 8 輸入、8 輸出并非全部都能引出至外部引腳中。每個(gè) PLA 外設(shè)都連接到一個(gè)指定的 TRGM 外設(shè)，而每個(gè) TRGM 外設(shè)最多僅可連接 12 個(gè)外部引腳，同時(shí) TRGM 還可能有其他信號(hào)需要接到外部引腳中，如果想要使用更多外部引腳，則還需要使用 TRGM 間連接等方式。因此，在設(shè)計(jì) PLA 程序時(shí)需要盡可能提前考慮 I/O 安排的問題。

每個(gè) PLA 外設(shè)由一個(gè)濾波器 FILTER1 和 8 個(gè)通道組成，F(xiàn)ILTER1 對(duì)輸入和反饋信號(hào)進(jìn)行濾波后，寬度為 16bit 的信號(hào)將同時(shí)輸入到 8 個(gè)通道之中（這個(gè)扇出也挺驚人的）。每個(gè)通道的輸出寬度均只有 1bit，8 個(gè)通道合并組成的 8bit 就是 PLA 外設(shè)的輸出。下面我們將分別對(duì) PLA 濾波器和單個(gè)通道進(jìn)行介紹。

二、PLA 外設(shè)中的濾波器

和我們之前介紹過的 PLA 結(jié)構(gòu)相比，HPM6200 系列的 PLA 最大的特點(diǎn)就是多出了一些濾波器。每個(gè) PLA 外設(shè)都有一個(gè) FILTER1 濾波器，8 個(gè)通道中每個(gè)通道還各有一個(gè) FILTER2 濾波器和 FILTER3 濾波器。目前，文檔中并沒有向我們介紹這些濾波器的設(shè)計(jì)目的，不過我們也不難從其功能中窺探一二。無論是 FILTER 1, 2 還是 3，他們的功能基本一致：將輸入信號(hào)經(jīng)過同步、邊沿檢測(cè)、軟件注入和擴(kuò)展濾波四個(gè)環(huán)節(jié)后輸出。

1. 同步

文檔中并沒有告訴我們同步功能的具體實(shí)現(xiàn)方式，不過在這一段描述里面，我們可以大致猜測(cè)出很多信息：

FILTER_SYNC_LEVEL 位選擇同步器級(jí)數(shù)，清 0 時(shí)為 2 級(jí)同步，置 1 時(shí)為 3 級(jí)同步。根據(jù)該位的設(shè)置，同步器會(huì)將信號(hào)延時(shí) 2 個(gè)或者 3 個(gè)時(shí)鐘周期。

2級(jí)、3 級(jí)同步可選，聽上去就與跨時(shí)鐘域處理中的同步器很像。比較了解 FPGA 或 IC 設(shè)計(jì)的朋友知道，同步器是減少亞穩(wěn)態(tài)對(duì)邏輯電路影響的一個(gè)常用措施，PLA 外設(shè)可以接受外部輸入的信號(hào)，自然也算是一種“跨時(shí)鐘域”傳遞信號(hào)的過程。同時(shí)，增加同步功能還有利于避免出現(xiàn)組合邏輯電路的競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)，畢竟 FPGA 和 CPLD 開發(fā)時(shí)有 EDA （盡管 EDA 也不完全可靠）工具幫忙看著，我們?cè)诤?PLA 玩耍的時(shí)候就沒那么好的條件了。因此我們不妨猜測(cè)同步功能實(shí)際上就是使用 2/3 級(jí)觸發(fā)器構(gòu)成的同步器。

2. 邊沿檢測(cè)

這一功能很好理解，將邊沿轉(zhuǎn)為脈沖，此處不再贅述。

3. 軟件注入

這一功能也很好理解：強(qiáng)制將輸出設(shè)置為高電平或低電平。實(shí)際上各邏輯門前的四選一 MUX 也能實(shí)現(xiàn)類似的功能，這一功能更多是為可配置觸發(fā)器 CFF 或者是降低配置復(fù)雜度而生的。

4. 擴(kuò)展濾波 擴(kuò)展濾波要比上面三個(gè)功能復(fù)雜得多，文檔也并沒有講得特別清楚，下面我將結(jié)合實(shí)際例子，分別介紹它的四個(gè)濾波類型效果。

在開始之前，我們首先要了解 PLA 外設(shè)的時(shí)鐘。PLA 外設(shè)掛載在 AHB/APB 總線下，因此也受在 AHB/APB 時(shí)鐘（默認(rèn) 200MHz）驅(qū)動(dòng)。在上文提到的同步器同步周期數(shù)量中，2/3 級(jí)同步就是指的 AHB/APB 時(shí)鐘的 2/3 個(gè)周期。擴(kuò)展濾波功能最高支持 65535 周期的擴(kuò)展，對(duì)應(yīng)的 AHB/APB 時(shí)鐘周期數(shù)也為 65535 周期，單個(gè)周期的時(shí)間為 5ns，這在我們后續(xù)的計(jì)算中會(huì)常常用到。對(duì)于 hpm_sdk v1.2 以前的版本，周期數(shù)配置部分存在一個(gè)小 bug，需在代碼中將計(jì)算出來的周期數(shù)乘二。

（1）輸入高電平擴(kuò)展

這一個(gè)模式相對(duì)比較好理解：擴(kuò)展高電平的長(zhǎng)度，也就是在輸入信號(hào)變?yōu)榈碗娖揭院?，輸出信?hào)仍會(huì)保持高電平，時(shí)間為設(shè)定的周期數(shù)。下圖給出了一個(gè)例子。輸入信號(hào)是周期為 80μs，占空比 50% 的 PWM 信號(hào)，濾波器設(shè)置為輸入高電平拓展，周期數(shù)為 2000，輸出信號(hào)較輸入信號(hào)延遲10μs 變?yōu)榈碗娖健?/p>

（2）輸入低電平擴(kuò)展

這一個(gè)模式正好與上一個(gè)模式相反。下圖輸入信號(hào)仍是周期為 80μs，占空比 50% 的 PWM 信號(hào)，濾波器設(shè)置為輸入低電平拓展，周期數(shù)為 2000，輸出信號(hào)較輸入信號(hào)延遲 10μs 變?yōu)楦唠娖健?/p>

（3）輸出狀態(tài)擴(kuò)展

這一個(gè)模式可以看作是以上兩種模式的加和：既延長(zhǎng)低電平時(shí)間，也延長(zhǎng)高電平時(shí)間。輸入信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)將先在設(shè)定的周期數(shù)內(nèi)維持現(xiàn)有狀態(tài)，結(jié)束后跟隨輸入信號(hào)變化。這一模式可以起到兩個(gè)效果，一是將脈沖寬度小于設(shè)定周期數(shù)的脈沖全部過濾掉，二是將脈沖寬度大于設(shè)定周期數(shù)的脈沖延遲設(shè)定周期后輸出。

下圖前半段輸入信號(hào)是一個(gè)脈沖寬度為 40μs 的 PWM 波，輸出信號(hào)對(duì)比輸入信號(hào)延遲了 10μs；在后半段將輸入信號(hào)和輸出信號(hào)對(duì)比，則可以發(fā)現(xiàn)所有寬度不大于 10μs 的波形都被過濾掉了。

（4）輸入跳變擴(kuò)展

這一模式下輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)變化，但是當(dāng)輸出信號(hào)發(fā)生過跳變以后，在設(shè)定周期數(shù)的時(shí)間內(nèi)，輸出信號(hào)將保持不變，隨后輸出信號(hào)繼續(xù)跟隨輸入信號(hào)的變化。

下圖中前半段濾波器設(shè)置的周期數(shù)為 2000，對(duì)應(yīng) 10μs 的時(shí)間，因此對(duì)于半周期 20μs 的 PWM 信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生任何影響；后半段濾波器設(shè)置的周期數(shù)為 6000，對(duì)應(yīng) 30μs 時(shí)間，因此在輸入信號(hào)從高電平跳變?yōu)榈碗娖揭院?，輸出信?hào)還會(huì)繼續(xù)保持高電平直至 30μs 結(jié)束。

三、PLA 外設(shè)通道結(jié)構(gòu)

1. 與- 或陣列

每個(gè)通道的 16 信號(hào)輸入會(huì)分別接入到 8 個(gè) 16 輸入與門中，對(duì)單個(gè)輸出信號(hào)最高支持 8 個(gè)最小項(xiàng)相加（8 個(gè)與門），并可生成 7 個(gè)輸出信號(hào)（7 個(gè)或門）。每個(gè)邏輯門的輸入端都有一個(gè)四選一 MUX，可選邏輯 1、邏輯 0、原信號(hào)和原信號(hào)取反四種輸入。

2. 可配置觸發(fā)器

CFF 可被配置為 D 觸發(fā)器、雙邊沿 D 觸發(fā)器、JK 觸發(fā)器、T 觸發(fā)器、鎖存器、運(yùn)算器和直接輸出信號(hào)這幾種功能。CFF 的輸出即為其所在通道的輸出，輸出信號(hào)寬度 1bit，輸入信號(hào)寬度則為 7bit，CFF 配置為各類觸發(fā)器時(shí)，觸發(fā)器的使能、置位、同步/異步復(fù)位、時(shí)鐘等信號(hào)均來自于 7bit 寬度的輸入信號(hào)，具體的分配表可見 UM 文檔。除了使用輸入信號(hào)以外，CFF 還可以使用 AHB/APB 的時(shí)鐘。

四、如何使用 HPM_SDK 中的PLA驅(qū)動(dòng)

在之前介紹的各種含有 PLA 的芯片基本都會(huì)配置對(duì)應(yīng)的 EDA 工具，用戶一般可以使用 verilog 編程或者圖形化界面編程，由 EDA 工具生成比特流。比如 PSoC 芯片用戶可以使用圖形化界面編輯狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，再由軟件完成后端的處理。HPM6200 的 PLA 則沒有使用這種開發(fā)方式，而是將所有的可配置項(xiàng)均以寄存器的方式暴露給 CPU，CPU 設(shè)置好對(duì)應(yīng)的寄存器以后，PLA 即可開始工作。

1. FILTER

濾波器的可配置項(xiàng)非常多，包括是否同步、是否啟用邊沿檢測(cè)、是否軟件注入等一系列內(nèi)容，不過最關(guān)鍵的其實(shí)是準(zhǔn)確把握配置的數(shù)量。PLA 中有 1 個(gè) FILTER1、8 個(gè) FILTER2 和 8 個(gè) FILTER3，F(xiàn)ILTER1/2/3 中分別有 16/8/7 個(gè)信號(hào)，每一個(gè)信號(hào)都可以獨(dú)立設(shè)置上述介紹過的所有濾波功能，也就是共有 136 個(gè)信號(hào)，很容易錯(cuò)配、漏配。因此，除了所有通道共用的 FILTER1 單獨(dú)配置以外，F(xiàn)ILTER2/3 建議和它們所在的通道一同配置，避免混淆的同時(shí)，如果部分通道沒有使用，也就不需要對(duì)它們的 FILTER2/3 進(jìn)行配置了。

濾波器的配置結(jié)構(gòu)體是一個(gè)位域結(jié)構(gòu)體，使用四個(gè)字節(jié)保存一個(gè)信號(hào)的濾波選項(xiàng)，其每個(gè)成員的功能結(jié)合手冊(cè)也非常容易理解，注意，配置結(jié)構(gòu)體里面并沒有任何關(guān)于該配置位于哪個(gè)通道、哪個(gè)濾波器等位置的信息。結(jié)構(gòu)體填充完成以后，則需要使用以下幾個(gè)函數(shù)完成設(shè)置：



這里面實(shí)際上有不少容易踩坑的地方。例如 FILTER2/3 都只有一個(gè)函數(shù)，而 FILTER1 有 in/out 兩個(gè)函數(shù)。實(shí)際上 in/out 兩個(gè)函數(shù)分別負(fù)責(zé) FILTER1 16 個(gè)信號(hào)里面前 8 個(gè)和后 8 個(gè)信號(hào)的配置，原因大概是前 8 個(gè)是 PLA 的輸入信號(hào)，后 8 個(gè)則是 PLA 的輸出信號(hào)反饋回來的。

剛剛提到的濾波器配置結(jié)構(gòu)體里面并沒有關(guān)于位置的信息，因此這些信息要以參數(shù)的形式提供給設(shè)置函數(shù)。以在通道 3 的 FILTER2 為例，使用 pla_set_filter2() 時(shí)不僅要寫明通道 3，還要指出是 FILTER2 8 個(gè)信號(hào)中的具體哪一個(gè)信號(hào)。而 SDK 中通道參數(shù)和信號(hào)參數(shù)分別叫 chn 和 filter2_chn，使用時(shí)一定要注意區(qū)分兩者之間的差別。

2. 與門

16 輸入與門本身只有一個(gè)可配置的內(nèi)容：各輸入信號(hào)的 MUX 選項(xiàng)。不過同樣需要注意數(shù)量和位置的問題。8 個(gè)通道里面，每個(gè)通道有 8 個(gè)與門，每個(gè)與門又有 16 個(gè) MUX。當(dāng)然，除了沒有使用的通道無需配置以外，部分沒有使用的與門也可以不進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)狀態(tài)下與門將輸出低電平。

與門的配置結(jié)構(gòu)體是 pla_aoi_16to8_chn_cfg，可以對(duì)一個(gè)與門進(jìn)行配置，記得不要被它名字里面那個(gè) chn 給欺騙了。結(jié)構(gòu)體里面有 pla channel 和 aoi_16to8 channel 兩個(gè)“通道”成員，一個(gè)指的是 PLA 的通道，另一個(gè)則是指 8 個(gè)與門的編號(hào)。個(gè)人認(rèn)為這樣設(shè)計(jì)其實(shí)容易混淆，可以在命名方面更加有區(qū)分度一些。

一個(gè)與門中有 16 個(gè) MUX，因此 pla_aoi_16to8_chn_cfg 里面有長(zhǎng)度為 16 的 MUX 配置結(jié)構(gòu)體 pla_aoi_16to8_cfg_unit_t 數(shù)組。MUX 配置結(jié)構(gòu)體的 signal 成員是信號(hào)的編號(hào)；op 成員的四個(gè)選項(xiàng)對(duì)應(yīng) MUX 的四個(gè)選項(xiàng)，對(duì)應(yīng)關(guān)系在上面的代碼注釋中給出。 最后我們需要使用以下函數(shù)對(duì)一個(gè)與門進(jìn)行配置。

3. 或門

或門的代碼和注意事項(xiàng)和與門大同小異，數(shù)量上一個(gè)通道有 7 個(gè)或門，每個(gè)或門有 8 個(gè) MUX，比與門會(huì)少不少，其余部分基本一致，參照使用即可。

4. 可配置觸發(fā)器

CFF 可配置的內(nèi)容并不多，主要就是功能選擇和時(shí)鐘源，具體情況可參考源代碼。需要注意的是觸發(fā)器的同步復(fù)位、同步置位、異步復(fù)位、異步置位等信號(hào)有的是高電平有效，有的則是低電平有效，且有優(yōu)先級(jí)順序，使用時(shí)需要對(duì)照手冊(cè)仔細(xì)調(diào)整。

5. 使能 PLA

在完成上述全部配置完成以后，還需要對(duì)每一個(gè)通道進(jìn)行使能。

在沒有使能的情況下，PLA 的寄存器可以作為 1KB 的 APB SRAM 使用。

五、一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：同步八進(jìn)制計(jì)數(shù)器

1. 概述

在前面章節(jié)的基礎(chǔ)上，我們將實(shí)戰(zhàn)使用 PLA 構(gòu)建一個(gè)經(jīng)典的同步時(shí)序邏輯電路：同步八進(jìn)制計(jì)數(shù)器。為了簡(jiǎn)化問題讓大家更容易理解，我們要構(gòu)建的計(jì)數(shù)器只會(huì)計(jì)數(shù)，沒有復(fù)位、沒有使能、沒有置數(shù)，長(zhǎng)得更像是個(gè)分頻器，它的電路結(jié)構(gòu)如下所示：

有了電路圖，下一步就是將電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為 PLA 的配置代碼。不過，由于 PLA 是與或結(jié)構(gòu)，我們不妨進(jìn)一步直接將使用到的與門、或門和各種信號(hào)都繪制出來，在編碼時(shí)將會(huì)更加方便。

對(duì)照上圖，我們可以提煉出以下信息：

此電路使用了 3 個(gè) PLA 通道，每個(gè)通道的 CFF 均配置為 T 觸發(fā)器（圖上是 JK，實(shí)際功能是 T）

觸發(fā)器時(shí)鐘使用外部時(shí)鐘PLA OUT0OUT1OUT2 分別作為計(jì)數(shù)器 D2D1D3 的輸出

OUT1OUT2 將作為反饋信號(hào)進(jìn)入通道 1 和 通道 2

2. 工程準(zhǔn)備

本部分包括新建工程、使用 GPTMR 產(chǎn)生 1M PWM 作為時(shí)鐘的代碼，本文不打算討論這一部分內(nèi)容，讀者可以參考 HPM_SDK 中的其他例程了解。為了區(qū)分三個(gè)通道的設(shè)置代碼，在 main 函數(shù)前聲明了三個(gè)通道的配置函數(shù)。

3. TRGM 與 I/O

PLA 并沒有專屬于自己的輸入輸出引腳，和其他增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)外設(shè)一樣，所有輸入輸出信號(hào)都要通過 TRGM 處理。因此，這里的代碼將 GPTMR0 CH2 的 PWM 輸出引入到了 PLA0 IN0 中，將 PLA0 OUT0/1/2 輸出到三個(gè)外部引腳中。為了方便對(duì)比時(shí)鐘波形和計(jì)數(shù)器輸出，還將 GPTMR CH2 的 PWM 也輸出到外部引腳中。

4. FILTER1

FILTER1 并沒有特別的功能需求，因此我們只需要開啟同步功能即可。

5. 通道 0

來到通道 0 的配置函數(shù)，首先聲明與門陣列、或門陣列和兩個(gè)濾波器的配置結(jié)構(gòu)體變量。

通道 0 使用了兩個(gè)與門。第一個(gè)與門根據(jù)兩個(gè)反饋信號(hào)相與生成 T 觸發(fā)器的 T 信號(hào)，先將它的全部 MUX 設(shè)為輸出邏輯 1，再將反饋通道對(duì)應(yīng)的 9、10 號(hào) MUX 修改為輸出原信號(hào)。第二個(gè)與門只需要輸出 PWM 時(shí)鐘信號(hào)，因此只設(shè)置一個(gè) MUX 輸出原信號(hào)，其余全部設(shè)置輸出邏輯 1。

FILTER2 同樣只需要設(shè)置同步。

通道 0 使用了兩個(gè)或門。第一個(gè)或門需要輸出與第一個(gè)與門完全相同的信號(hào)，因此 0 號(hào) MUX 設(shè)置輸出原信號(hào)，其余 MUX 輸出邏輯 0（注意，沒有使用的信號(hào) MUX，一般與門設(shè)置輸出邏輯 1，或門設(shè)置輸出邏輯 0），第二個(gè)與門也基本一致。

FILTER3 同樣設(shè)置信號(hào)同步，不過不要忘了 FILTER3 同時(shí)也輸出觸發(fā)器的同步異步復(fù)位置位，我們這個(gè)電路沒有相關(guān)功能，因此全部根據(jù)手冊(cè)設(shè)置為固定值即可。如果要使用這些功能，則需要另外構(gòu)建他們的控制邏輯函數(shù)。

最后是 CFF 并使能通道。



其余兩個(gè)通道配置過程大同小異，就不再?gòu)?fù)制粘貼那么多次了，完整的代碼可在先楫社區(qū)中獲取。最終的效果如下圖所示。

六、結(jié) 語

通過介紹，相信大家對(duì) PLA 已經(jīng)有了一個(gè)較為全面的了解。在 6200 系列剛推出時(shí)，許多開發(fā)者非常關(guān)注的一點(diǎn)就是 PLA 外設(shè)能不能當(dāng)作 FPGA 使用，對(duì)此，我個(gè)人的看法是“能，但不完全能”。PLA 擁有完備的邏輯結(jié)構(gòu)，但是其資源數(shù)量注定只適合小型邏輯使用，尤其是觸發(fā)器資源的缺乏，使得 PLA 很難單獨(dú)構(gòu)建稍復(fù)雜的時(shí)序邏輯電路。因此我們?cè)陂_發(fā) PLA 程序之前，對(duì)資源數(shù)量要把控地比較準(zhǔn)確，以免做無用功。

除了底層資源的限制，個(gè)人認(rèn)為，使用方式上 PLA 也有其遺憾之處：

重復(fù)的配置代碼相當(dāng)多，開發(fā)效率不高，寫代碼時(shí)容易發(fā)生錯(cuò)誤

無法對(duì)內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行調(diào)試，對(duì)復(fù)雜邏輯調(diào)試?yán)щy

“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，難以通過模塊化設(shè)計(jì)等方式復(fù)用現(xiàn)有資料

基于以上原因，我認(rèn)為圖形化配置，程序自動(dòng)生成配置代碼將會(huì)是 PLA 極好的開發(fā)方式：PLA 配置項(xiàng)繁多但并不復(fù)雜，代碼由機(jī)器生成非常合適；圖形化配置的方式降低了開發(fā)者編寫大量重復(fù)代碼時(shí)出錯(cuò)的可能性，還可以通過抽象出電路圖的方式協(xié)助開發(fā)者調(diào)試；甚至還可以以此為基礎(chǔ)造出 PLA 的模擬器。

當(dāng)然，即使沒有這些，PLA 也仍不失為構(gòu)建簡(jiǎn)單邏輯的好工具，也期待有更多開發(fā)者給出他們使用 PLA 的姿勢(shì)與心得，共同學(xué)習(xí)共同進(jìn)步。

以上內(nèi)容來自先楫開發(fā)者的原創(chuàng)分享。

審核編輯：劉清