安德鲁

[笔记].浅析在Nios II中的两种寄存器映射方法的异同.[C][Nios II]

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发表于 6/13/2010 10:13:58 PM 阅读（2013）

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-----
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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

< ;p>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>
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 //--------------------------------------

注意：结尾那个</io.h>是发博客发出来的，不属于代码。

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>
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 //--------------------------------------

注意：结尾那个</io.h>是发博客发出来的，不属于代码

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 +36>: movhi r3,2048 
03 0x04000238 <MAIN +40>: addi r3,r3,6144 
04 0x0400023c <MAIN +44>: movi r2,1 
05 0x04000240 <MAIN +48>: stwio r2,0(r3)
06  
07 LED = 1; 
08 0x04000224 <MAIN +20>: movhi r3,2048 
09 0x04000228 <MAIN +24>: addi r3,r3,6144 
10 0x0400022c <MAIN +28>: movi r2,1 
11 0x04000230 <MAIN +32>: 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
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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