FPGA與STM32通過(guò)FSMC總線通信的實(shí)驗(yàn)

FSMC總線通信簡(jiǎn)介

FSMC是STM32系列采用的一種新型存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)。在外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便進(jìn)行不

同類型大容量靜態(tài)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。

FSMC的特點(diǎn)：

（1）支持不同位寬的異步讀寫(xiě)操作。

（2）不同的BANK在映射地址空間中是獨(dú)立的，可用于擴(kuò)展不同的存儲(chǔ)器。

（3）支持代碼從FSMC擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器中直接運(yùn)行。

兩種工作方式：地址獨(dú)立模式和地址復(fù)用模式

FSMC協(xié)議分析

FSMC協(xié)議的幾個(gè)主要信號(hào)：

CSn（片選信號(hào)）：低電平片選信號(hào)有效，高電平失能（默認(rèn)狀態(tài)為高：失能）

NADV（地址有效信號(hào)）：上升沿鎖存地址的低位

RDn（讀信號(hào)）：低電平讀信號(hào)有效，上升沿鎖存數(shù)據(jù)，高電平失能（默認(rèn)狀態(tài)為高：失能）

WRn（寫(xiě)信號(hào)）：低電平寫(xiě)信號(hào)有效，上升沿鎖存數(shù)據(jù)，高電平失能（默認(rèn)狀態(tài)為高：失能）

FSMC讀/寫(xiě)操作時(shí)序：

STM32F407 上自帶 FSMC 控制器，通過(guò) FSMC 總線的地址復(fù)用模式實(shí)現(xiàn)STM32 與 FPGA 之間的通信，F(xiàn)PGA 內(nèi)部建立 RAM 塊，F(xiàn)PGA 橋接 STM32 和 RAM 塊，通過(guò) FSMC 總線從 STM32 向 RAM 塊中寫(xiě)入數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)為 0 到 511），然后讀取 RAM出來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行驗(yàn)證。原理圖如下圖所示：

內(nèi)部存儲(chǔ)器IP核的參數(shù)設(shè)置

單端口RAM參數(shù)介紹

創(chuàng)建IP核

①框是設(shè)置輸出數(shù)據(jù)端口的位寬，②框是設(shè)置存儲(chǔ)器容量的大小，這兩個(gè)選項(xiàng)大家可根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)置。這里我們?cè)O(shè)置數(shù)據(jù)位寬 16bit，存儲(chǔ)容量為 512words，即我們?cè)O(shè)置的 RAM 的最大存儲(chǔ)量為 512 個(gè) 16bit 數(shù)據(jù)。
③框是存儲(chǔ)單元類型的選擇，這里我們保持 Auto（軟件自動(dòng)選擇）即可。
④框中是選擇使用的時(shí)鐘模式，可選擇單時(shí)鐘或雙時(shí)鐘。選擇單時(shí)鐘時(shí)：用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制存儲(chǔ)塊的所有寄存器。選擇雙時(shí)鐘時(shí)：輸入時(shí)鐘控制地址寄存器，輸出時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)輸出寄存器。大家可根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行選擇，這里我們選擇默認(rèn)選項(xiàng) Single clock（單時(shí)鐘）。

設(shè)置完之后點(diǎn)擊 Next 進(jìn)入下一界面：

①框是選擇是否輸出“q”輸出寄存器。這里把輸出端口的寄存器去掉（如果不去掉的話，就會(huì)使輸出延遲一拍。如果沒(méi)有特別的需求的話我們是不需要延遲這一拍的，所以這里我們把它去掉）。
②框是詢問(wèn)我們是否選擇為時(shí)鐘信號(hào)創(chuàng)建響應(yīng)的使能信號(hào)，這里我們不需要，不勾選。
③框是詢問(wèn)我們?yōu)槎丝贏創(chuàng)建字節(jié)使能，這里我們不需要，不勾選。
④框是選擇是否創(chuàng)建“aclr”異步復(fù)位信號(hào)以及是否創(chuàng)建“rden”讀使能信號(hào)，大家可根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行勾選，這里我們把它們都勾選上。設(shè)置完之后點(diǎn)擊 Next 進(jìn)入下一界面：

如上圖所示，是進(jìn)行 Read During Write Operation 項(xiàng)配置，選擇某個(gè)地址即將被寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)讀該地址的數(shù)據(jù)輸出類型：有 Don’t Care（不關(guān)心）、 New Data（寫(xiě)入的新數(shù)據(jù)）和Old Data（原有數(shù)據(jù)），我們保持默認(rèn)的 New Data 即可，也就是說(shuō)，某個(gè)地址將被寫(xiě)入新數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)進(jìn)行讀操作會(huì)讀出新的數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊 Next 進(jìn)入下一頁(yè)面：

①框是選擇是否為存儲(chǔ)器配置初始化文件，與 ROM 不同的是，RAM 可以選擇不配置初始化文件，這里我們選擇不配置初始化文件。
②框是選擇是否允許系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)容編輯器在于與系統(tǒng)時(shí)鐘無(wú)關(guān)的情況下捕獲和更新存儲(chǔ)器的內(nèi)容，這里我們不勾選。
設(shè)置完后點(diǎn)擊 Next 進(jìn)入下一界面：

如上圖所示，該界面沒(méi)有什么要配置的參數(shù)，但顯示了我們?cè)?a target="_blank">仿真 ROM IP 核時(shí)所需要的 Altera 仿真庫(kù)，這里提示了我們單獨(dú)使用第三方仿真工具時(shí)需要添加名為“altera_mf”的庫(kù)。這里保持默認(rèn)，直接點(diǎn)擊“Next”。

RAM 輸出的文件，除了灰色必選文件，默認(rèn)還勾選上了rom_256x8_bb.v，這里我們?nèi)サ?rom_256x8_bb.v 文件，加入my_ram_ints.v（例化模板文件）即可。最后點(diǎn)擊“Finish”完成整個(gè) IP 核的創(chuàng)建。接下來(lái) Quartus II 軟件會(huì)在我們創(chuàng)建的 IP 核文件目錄下生成 RAM IP 文件。

FPGA代碼

使用RAM IP核構(gòu)成FSMC，可以從示意圖中看出 我們恰好對(duì)得上，需要地址線和數(shù)據(jù)線、讀寫(xiě)使能線以及，將IP核的分配到實(shí)在的引腳
模塊

FSMC模塊

 module FSMC_Ctrl(
ab,
db,
wrn,
rdn,
csn,
PLL_100M,
RST_n,
nadv
 );

input [8:0]ab;//地址
inout [15:0]db;//數(shù)據(jù)
input wrn;//寫(xiě)使能
input rdn;//讀使能
input csn;//使能
input PLL_100M;//時(shí)鐘
input RST_n; //復(fù)位
input nadv; //復(fù)用功能

wire rd;
wire wr;

assign rd = (csn | rdn);//使能和讀使能共同有效時(shí)
assign wr = (csn | wrn);//使能和寫(xiě)使能共同有效時(shí)

wire [15:0]DB_OUT;

assign db = !rd ? DB_OUT : 16'hzzzz;//在讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，將端口全部設(shè)置成高阻態(tài)

reg wr_clk1,wr_clk2;

always @(posedge PLL_100M or negedge RST_n)
begin
if(!RST_n)
begin
wr_clk1 <= 1'd1;
wr_clk2 <= 1'd1;
end
else
{wr_clk2,wr_clk1} <= {wr_clk1,wr};//提取寫(xiě)時(shí)鐘
end

wire clk = (!wr_clk2 | !rd);

my_ram      u1(//ram塊例化
.address(ab),
.clock(clk),
.data(db),
.wren(!wr),
.rden(!rd),
.q(DB_OUT),
);


endmodule

復(fù)位模塊

//--------------------Timescale------------------------------//
`timescale 1 ns / 1 ps

//--------------------RST_Ctrl------------------------//
module RST_Ctrl(
input FPGA_CLK,//輸入板載晶振FPGA_CLK,25M
output RST_n//輸出全局復(fù)位信號(hào)
);
//--------------------RST_n----------------------------------//
reg [3:0] cnt_rst = 4'd0;
always @(posedge FPGA_CLK)
if (cnt_rst == 4'd10)
cnt_rst <= 4'd10;
else
cnt_rst <= cnt_rst + 1'd1;

assign RST_n = (cnt_rst == 4'd10);//復(fù)位信號(hào),10個(gè)周期后RST_n為1

//--------------------endmodule------------------------------//
endmodule

頂層文件

//-------------------------Timescale----------------------------//
`timescale 1 ns / 1 ps
//--------------------FSMC_SIG---------------------//
module FSMC_INDEP(
FPGA_CLK,//輸入板載晶振GPGA_CLK,25M
FPGA_LEDR,
FPGA_LEDG,
FPGA_LEDB,
WR,//FSMC寫(xiě)信號(hào)
RD,//FSMC讀信號(hào)
CS0,//FSMC片選
A,//FSMC地址總線
DB,//FSMC數(shù)據(jù)總線
NADV,//FSMC的NADV
);

input FPGA_CLK,NADV;
input WR,RD,CS0;
inout [15:0]DB;
input [24:16]A;
output FPGA_LEDB,FPGA_LEDG,FPGA_LEDR;

assign FPGA_LEDR = 1'd1;
assign FPGA_LEDG = 1'd0;
assign FPGA_LEDB = 1'd1;
//-------------------------MY_PLL-------------------------------//
wire PLL_100M;
MY_PLL U1(
.inclk0(FPGA_CLK),
.c0(PLL_100M)
);//例化MY_PLL模塊,輸出50M時(shí)鐘
//------------------------RST_Ctrl-----------------------------//
wire RST_n;
RST_CtrlU2(
.FPGA_CLK(FPGA_CLK),
.RST_n(RST_n)
);//例化RST_Ctrl模塊,輸出全局復(fù)位信號(hào)RST_n

//-------------------------FSMC_Ctrl ------------------------------//
FSMC_CtrlU3(//FSMC總線測(cè)試模塊
.ab(A[24:16]),
.db(DB),
.wrn(WR),
.rdn(RD),
.csn(CS0),
.PLL_100M(PLL_100M),
.RST_n(RST_n),
.nadv(NADV)
);

//------------------------enmodule ---------------------------//

endmodule

STM32標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的程序

fsmc.h

//------------------------define---------------------------//
#ifndef __fsmc_h__
#define __fsmc_h__

//---------------------Include files-----------------------//

//----------------------- Define --------------------------//
#define fpga_write(offset,data)*((volatile unsigned short int *)(0x60000000 + (offset << 17))) = data

#define fpga_read(offset)*((volatile unsigned short int *)(0x60000000 + (offset << 17)))

//----------------- Typedef -----------------------------//
typedef struct{
int (* initialize)(void);
}FSMC_T;

//---------------- Extern -------------------------------//

extern FSMC_T fsmc;

#endif //__fsmc_h__

fsmc.c

/*
 * FILE: fsmc.c
 * DESCRIPTION: This file is iCore3 fsmc driver.
 * Author: XiaomaGee@Gmail.com
 * Copyright:
 *
 * History
 * --------------------
 * Rev: 0.00
 * Date: 01/03/2016
 *
 * create.
 * --------------------
 */
//---------------- Include files ------------------------//
#include "..includefsmc.h"
#include "..fwlibincstm32f4xx_rcc.h"
#include "..fwlibincstm32f4xx_gpio.h"
#include "..fwlibincstm32f4xx_fsmc.h"

//---------------- Function Prototype -------------------//
static int initialize(void);

//---------------- Variable -----------------------------//
FSMC_T fsmc = {
.initialize = initialize
};

//-----------------Function------------------------------//
/*
 * Name: initialize
 * Description: ---
 * Author: XiaomaGee.
 *
 * History
 * ----------------------
 * Rev: 0.00
 * Date: 01/03/2016
 *
 * create.
 * ----------------------
 */
static int initialize(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  FSMC_NORSRAMInitTypeDef  FSMC_NORSRAMInitStructure;
  FSMC_NORSRAMTimingInitTypeDef  p;

//時(shí)鐘使能
RCC_AHB3PeriphClockCmd(RCC_AHB3Periph_FSMC, ENABLE);
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB | RCC_AHB1Periph_GPIOD | RCC_AHB1Periph_GPIOE | RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);

//IO初始化
GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_FSMC);

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource0, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource1, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource3, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource4, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource5, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource8, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource11, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource12, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource13, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource14, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource15, GPIO_AF_FSMC);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 |
GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7 |GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11 |
GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource2 , GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource3 , GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource4 , GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource5 , GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource6 , GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource7 , GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource8 , GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource9 , GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource11, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource12, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource13, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource14, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource15, GPIO_AF_FSMC);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11 |
GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;
GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);

GPIO_PinAFConfig(GPIOG, GPIO_PinSource13, GPIO_AF_FSMC);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);

//FSMC初始化
  p.FSMC_AddressSetupTime = 1;
  p.FSMC_AddressHoldTime = 0;
  p.FSMC_DataSetupTime = 4;
  p.FSMC_BusTurnAroundDuration = 0;
  p.FSMC_CLKDivision = 0;
  p.FSMC_DataLatency = 0;
  p.FSMC_AccessMode = FSMC_AccessMode_A;

  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_Bank = FSMC_Bank1_NORSRAM1;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_DataAddressMux = FSMC_DataAddressMux_Enable;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryType = FSMC_MemoryType_SRAM;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryDataWidth = FSMC_MemoryDataWidth_16b;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_BurstAccessMode = FSMC_BurstAccessMode_Disable;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_AsynchronousWait = FSMC_AsynchronousWait_Disable;  
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WaitSignalPolarity = FSMC_WaitSignalPolarity_Low;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WrapMode = FSMC_WrapMode_Disable;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WaitSignalActive = FSMC_WaitSignalActive_BeforeWaitState;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WriteOperation = FSMC_WriteOperation_Enable;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WaitSignal = FSMC_WaitSignal_Disable;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_ExtendedMode = FSMC_ExtendedMode_Disable;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WriteBurst = FSMC_WriteBurst_Disable;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_ReadWriteTimingStruct = &p;
  FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_WriteTimingStruct = &p;

  FSMC_NORSRAMInit(&FSMC_NORSRAMInitStructure); 

  //FSMC Bank1_SRAM1 Bank使能
FSMC_NORSRAMCmd(FSMC_Bank1_NORSRAM1, ENABLE); 

return 0;
}

led.c

//--------------------------- Include ---------------------------//
#include "..includeled.h"
#include "..fwlibincstm32f4xx_gpio.h"
#include "..fwlibincstm32f4xx_rcc.h"

//--------------------- Function Prototype ----------------------//
static int initialize(void);

//--------------------------- Variable --------------------------//
LED_T led = {
.initialize = initialize
};
//--------------------------- Function --------------------------//
/*
 * Name                : initialize
 * Description         : ---
 * Author              : ysloveivy.
 *
 * History
 * --------------------
 * Rev                 : 0.00
 * Date                : 01/03/2016
 * 
 * create.
 * --------------------
 */
static int initialize(void)
{
GPIO_InitTypeDef   GPIO_uInitStructure;

//LED IO初始化
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOI,ENABLE);
GPIO_uInitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;    //設(shè)置連接三色LED燈的IO端口
GPIO_uInitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;                          //設(shè)置端口為輸出模式
GPIO_uInitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;                         //推挽輸出
GPIO_uInitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;                           //上拉
GPIO_uInitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;                     //設(shè)置速度為第三級(jí)

GPIO_Init(GPIOI,&GPIO_uInitStructure);

//PI5、PI6、PI7接三色LED燈，PI5、PI6、PI7置高電位，燈熄滅
GPIO_SetBits(GPIOI,GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7);

return 0;
}

led.h

#ifndef __led_h__
#define __led_h__

//--------------------------- Define ---------------------------//
//紅燈<----->PI5
#define LED_RED_OFF GPIO_SetBits(GPIOI,GPIO_Pin_5)
#define LED_RED_ON  GPIO_ResetBits(GPIOI,GPIO_Pin_5)
//綠燈<----->PI6
#define LED_GREEN_OFF GPIO_SetBits(GPIOI,GPIO_Pin_6)
#define LED_GREEN_ON  GPIO_ResetBits(GPIOI,GPIO_Pin_6)
//藍(lán)燈<----->PI7
#define LED_BLUE_OFF GPIO_SetBits(GPIOI,GPIO_Pin_7)
#define LED_BLUE_ON  GPIO_ResetBits(GPIOI,GPIO_Pin_7)

//----------------------- Include files ------------------------//

//-------------------------- Typedef----------------------------//
typedef struct {
int (* initialize)(void);
}LED_T;

//--------------------------- Extern ---------------------------//
extern LED_T led;

#endif //__led_h__

主函數(shù)

int main(void)
{
int i;
unsigned short int fsmc_read_data;
/*初始化*/
led.initialize();
fsmc.initialize();
LED_GREEN_ON;

/*綠色led亮，表示測(cè)試正常
紅色led亮，表示測(cè)試失敗，測(cè)試結(jié)束*/
while(1){
for(i = 0;i < 512;i++){
 fpga_write(i,i);                  //向FPGA寫(xiě)入數(shù)據(jù)
}
for(i = 0;i < 512;i++){
fsmc_read_data = fpga_read(i);   //從FPGA讀數(shù)據(jù)
if(fsmc_read_data != i){
LED_GREEN_OFF;
LED_RED_ON;
while(1);
}
}
}
}

復(fù)用模式說(shuō)明

地址和數(shù)據(jù)線復(fù)用時(shí)，NADV是訪問(wèn)地址和數(shù)據(jù)的區(qū)別信號(hào)，你只需要配合時(shí)序參數(shù)，芯片會(huì)自動(dòng)識(shí)別的。