《玩转IP core》之十五：国球与其它，输入输出系统介绍

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天灵灵，地灵灵，观音大士显神灵。老衲掐指一算，诸位竟然已经听了贫僧一十四讲讲座。居然，还有客官依然在听鄙人的唠叨，“衣带渐宽终不改，为伊消得人憔悴”啊。老主顾，老板给个打七折呗！（反正也是免费的，七折还是免费哦。老板你既得人心，又不花钱，好买卖！）诸位辛苦了。（全体起立：“为人民币服务！”）
       
        现在，这个讲座快到尾声了，无论如何也不能叫各位在未来不多的几讲里面失望。“好人做到底，送佛送到西”。能够熬到现在的都是好工程师，“好人有好报，坚持有回报”。京剧里面叫“压轴”，游戏里面叫“彩蛋”，后面的内容更精彩。
       
        我们现在正式为《第三篇：系统篇》剪彩（哗哗哗，掌声响起来，我心更明白…）。在这一部分里面，会在更高的层次上，分析设计问题。大伙儿不仅仅能看到《单元篇》里面的各个部件的应用，而且会发现系统绝对不是单元的简单的搭积木。在整个讲座里面，“变化”是永远的主题。《孙子变法》有云：“水因地而制流，兵因敌而制胜。故兵无常势，水无常形；能因敌而制胜者，谓之神。”。我们说，系统设计也应该“无常势”、“无常形”，就是这个道理。
       
        这一讲里面，在下会给各位看官介绍一下系统的输入输出部分。
       
        这里的“输入输出”不是说的“TTL”、“COMS”、“PECL”或者“LVDS”之类的物理信号形式。而是说明，芯片的数据如何稳定地、安全地和有效地进入、输出芯片。这个需要事先声明一下，省的有人误会，来找我麻烦。
       
        在前面有关测试向量的一讲里面说过：没有只有一个芯片的PCB。我们的系统是存在输入输出，也存在输出的。大家配合才好干活。（随便说句闲话：不知道为什么，那一讲的点击量一直不是很高，都被茶馆老板批评了。那一讲虽然无图无真相，但是后面的两种测试向量可是一般资料没有介绍的。而且，在多数系统验证的时候，这两种测试向量的应用量绝对比第一种大多了。）
       
        系统的输入输出按照外部连接的芯片种类，可以分为两种形式。第一种是和特殊接口协议的芯片，例如，DSP、MPU、RAM或者SDRAM等。这些芯片的输入输出接口时序是固定的。除非你是那个生产商的CTO的小舅子，要不然就得按照人家的时序实现我们的系统。另一种接口是高速数据的通道，例如外接的高速ADC和DAC，一般是经过LVDS进出的。LVDS如何输入输出数据，自然有非常专业的代码，不是我们需要操心的。但是，这些高速数据是否能够及时处理，却是我们的职责范围。为了保住大家饭碗，也为了保证这个书场的客流，某家会详细介绍。
       
        按照由简单到复杂的原则，我们先介绍固定时序的接口设计。其实，这也就是数字逻辑设计工程师耳熟能详的有限状态机设计。一下用图举一个例子，不用多讲了，省的有人又说“没有技术含量”、“不资深”。例子里面，外部芯片与设计的系统是异步的，这是非常经常的情况。这里的系统内的数据使能“EN”信号和有效数据“Data”宽度均大于片外的时钟，这是异步的消耗，没办法。
        如果信号完整性做的好，上面所说的消耗可以避免。
         

       

       
        对于专用数据端口输入输出呢，又分为两种情况。第一类是输入输出数据是阵发的，两个数据流之间存在较大的间隔。这个类似数码相机，拍一张照片要等很久才有第二张的数据。另一类是输入输出数据一直匀速的，数据间没有明显间隔。这个类似数码摄像机，图像是一直持续不断的按照帧的周期到达的。
         
        对于阵发性数据的输入输出，建议采用FIFO（先入先出队列，First In First Out）的接口形式。下图是一个利用双口RAM，实现异步FIFO的例子，具体细节请列位自己考量。到了现在的程度了，这个本事应该具备了。
         

       

       
        FIFO作为一个缓冲器，把阵发的数据先存储在里面。等到数据到来之间的空隙，进行必要的数据处理。具体示意图见下图。在数据到达时刻，进行写操作，FIFO里面的数据量增加。在数据到达和数据空闲时刻，均存在读操作，数据量缓慢减少。FIFO的容量取决于数据阵发到达的数量。并且，读操作以及后续处理的时间，不能超过数据阵发的周期。
       
        对于非周期性的数据，可能会存在数据未被处理就丢弃的现象，这个没有什么好办法解决。增加RAM容量可以减少数据丢弃的可能，但是提高了系统的代价。这就是“一份价格，一份货色”的道理。只有老板才是“只要马儿跑，不叫马吃草”的，我们工程师干不来这种昧良心的勾当。（就是想做，逻辑仿真也过不去啊。）
       
        （看来叫我学习高校教师那样，正儿八经地说话，某家还真的做不到。庄子曰：随性，老衲还是坚持一贯的扯犊子的风格了，某些人见谅。）
         

       

       
        终于写到“乒乓操作”了，感觉都快文不对题了（所谓“一行白鹭上青天”----离题万里，读书人骂人的方法----不带脏字的）。终于，大伙儿明白了题目里面的“国球”是乒乓球的意思。不是足球了，足球哪里比得了乒乓球的辉煌啊。
       
        对于连续性数据的输入输出一般都采用乒乓操作的套路。我又忍不住要多说一句了。工程设计里面，有很多套路的。如果没有特殊的必要，最好还是按照套路来。工程不是耍杂技，不用标新立异。我博士的师兄有句名言，送给大家：世界是简单的，真理是朴素的。
       
        乒乓操作说白了就是两块存储器，第一块存储，第二块被读取；然后下一个周期，第一块被读取，第二块存储；周而复始。为什么叫“乒乓”呢？就是因为这两块存储器不停交换功能，有点象打乒乓球，一来一回的。可以看到，乒乓操作比FIFO所用的存储器要多，但是，对应的处理能力要强，又是一个“面积换速度”的例子。
       
        乒乓操作的两块存储器的交换时间，一般采用系统内的“自然”周期，例如：摄像机里面的帧、无线通讯系统里面的时隙等等。
       
        乒乓操作单元结构如下图。除了前面提到的两个存储器之外，还需要写选择单元、读选择单元和读写时序控制单元等。
         

       

       
        乒乓操作的时序示意图如下，一个周期内，两个存储器一读一写；下一个周期颠倒。
         

       

       
        技术就是一层窗户纸，一捅就破。说明白了，感觉也没什么高深的。但是，有时候自己想，却不见得能想出来。以前读博士的时候，看到过很多论文。明明线性代数就能解决的问题，偏偏要范数、内积的定义一堆。这就叫故弄玄虚，这种事情我干不来。所以，不敢留在高学里面误人子弟。
       
        这一个讲座里面，贫僧介绍的东西，在多时钟系统的数据隔离可以被应用。另外，即使是同步系统，某些模块间的隔离，也是可以采用的。这里顺便说说，我就是唐僧，你又能如何？
       
        这正是：数据交换需隔离，时序状态巧设计。FIFO乒乓分场景，选择应用靠分析。
       
        诸位客官，小小的广告。下面会用两讲的时间，介绍两个稍稍复杂的系统设计。列位可以体会到，如何把前面的单元“砸碎了，再粘在一起”的快感。还是那句话（学我最喜欢的新闻类节目《世界周刊》）：下周的事情，下周再说，大家不见不散。
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        《玩转IP core》之一：我们的目标是ASIC
        摘要：具体到一个产品里面，到底是采用FPGA还是ASIC，这个问题是多方面确定的。简单说，如果产品出货量小、时间紧、生命周期短，那么FPGA比较适合；反之就建议ASIC。但是，也不是完全绝对的，就像很难说少林和武当那个更牛一样。
         
        《玩转IP core》之二：所见非所得
        摘要：Verilog语言是由Gateway设计自动化公司的工程师于1983年末创立的；VHDL语言诞生于1983年，1987年被美国国防部和IEEE确定为标准的硬件描述语言。这个古人也“古”不到哪里去。上板砖！
         
        《玩转IP core》之三：：统一行动听指挥
        摘 要：现在我们正沿着PCB数据大道，走向芯片大厦----就是大家眼前的巨大的、银色的大厦。我是本次旅行的导游，敝姓十，大叫可以叫我十导。路途之中， 为了大家不感到无聊，本人先给大家略略介绍一下，什么是数字电路的时钟。数字电路中，时钟是整个电路最重要、最特殊的信号。
         
        《玩转IP core》之四：踏雪寻熊---面积与速度的协调
        摘 要：具体到我们的FPGA/ASIC设计，这个“鱼”就是面积，而“熊掌”时钟频率（速度）。能不能很好的协调面积与速度的关系，是衡量一个数字逻辑设计 工程师能力的一个重要标准。在本讲座的第二篇里面，会说明各种单元模块的不同面积和速度的基本解构；在第三篇中，则会通过例子，介绍如何在系统中很好综合 考虑两者的关系，选择比较合适的实现解构。
         
        《玩转IP core》之五：测试向量生成
        摘要：在不考虑电源输入的前提下，在我们系统/板子上，能够不依靠其他外界输入而产生输出信号的器件有木有呢？当然有，而且必须有，那就是大名鼎鼎的晶振了，用来产生我们说过的、对以系统极端重要的系统时钟信号。
         
        《玩转IP core》之六：程咬金的三板斧--系统基本结构
       
        摘要：今天我们开始进入本讲座的第二部分：单元篇。大家将会发现，我们在基本单元设计里面，也就是三板斧：查找表、时分复用和流水线。但是，我们比程大将军稍稍高一点，我们会把这三招糅合，能产生变招。
         
        《玩转IP core》之七：一个计数器引起的思考
        摘 要：设问句：在进行一个计数器单元设计之前，我们需要什么前提条件呢？首先，需要功能描述（一个计数器嘛，不就是在不是复位“RST”的状态，每来一个时 钟内部/输出加一吗？还描述什么啊？磨洋工吧？----“非也，非也”，这个还是要描述一下。至少我们需要知道一下计数器的内部位数吧？也就是，计数器加 到多大回到0。）另外，就象我们在前面“菜谱”那一讲里面说过的，需要了解系统需要的时钟频率。
         
        《玩转IP core》之八：小学一年级水平，加法器的结构
        摘要：工程设计里面有一个原则：从简单做起。这里面还有一个小故事，今天就不讲了。现在，我们先瞧瞧最简单的一个比特位宽的加法器：半/全加器。全加器的输入为三个一比特的信号a0、a1，还有低位的进位c0；输出也是两个一比特的信号：结果s和进位位c1。
         
        《玩转IP core》之九：小学二年级水平，乘法器的结构
        摘要：大伙儿已经通过两次讲座，了解了计数器和加法器大体结构。大家不难发 现，同样的一种功能，可能由于需要、工作频率和代价的不同要求，存在若干种不同的结 构。这些结构如何选择，实际上是一个艰难的选择。这些选择，很多时候都是靠一个工程师的经验（我们老年人也就靠这个混口饭吃了。要不就被“长江后浪推前 浪，前浪死在沙滩上”了）。
         
        《玩转IP core》之十：除法器的结构
        摘要：如果各位在加法器和乘法器里面可以欣赏到了变化多端的话，那么在下不得不很遗憾的通知诸位：除法器里面大家只能看到“自古华山一条路”。不是 我保守，是除法这个东西的本性。用《数学分析》里的说法，加法和乘法都是线性运算满足交换律的，除法是非线性运算不满足交换律的。这是数学上的根子，可以 用来唬人。
         
        《玩转IP core》之十一：非线性求值的孤独九剑,CORDIC方法
       
        摘要：现在来个“师夷长技以制夷”，给大家画画CORDIC的流水线（因为是小数运算，假设实数“1”为十六进制的全1，实数值就可以折算了。这是普遍的技巧，不详述。）。还有一个小技巧就是由于每步的放大作用，公式里预先收缩了一把。
         
        《玩转IP core》之十二：电路串串香，D触发器链  
        摘要：今个儿寡人给大家讲点有“理论”的：CRC校验（循环冗余校验 码，Cyclic Redundancy Check）和编码器。CRC校验的目的就是看接收的一串比特和原来发射的是不是一致，有没有接收误码。CRC在编码界的春典，就是“gCRC16(D) = [D16 + D12 + D5 + 1]”和“1 0001 0000 0001 0001”。给大家一个口诀：“延时触发串一串，遇到一字砍一段。输入牵来异或算，输出导出入口看。”
         
        《玩转IP core》之十三：简直的层层叠，FIR滤波器的串联实现
       
        摘要：今天我们继续信号处理的行程，给大家介绍FIR滤波的串行实现。却说“请介绍FIR滤波器和IIR滤波器的差别”，这可是一道非常典型的面试题。这道题目类似于《哈利波特》里面那个“分院帽”的作用，当然这个题目里面没有宝剑。
         
        《玩转IP core》之十四：我的地盘我做主，锁相与分频
        摘要：在做设计的时候，谁都希望片子的输入时钟是稳定的、可靠 的，并且和我们系统的采样频率是一致的。这是最理想状态。可惜啊，希望是丰满的，现实是骨感的。很 多时候，情况并没有这么理想。这种时候，就需要我们自己调节系统时钟，达到系统工作的目的了。不是大伙儿“无知者无畏”，是不得不为啊。实际上，在很多通 讯系统中，对于系统时钟的调节都是不可避免的。
         
        《玩转IP core》之十五：国球与其它，输入输出介绍
        摘要：我们现在正式为《第三篇：系统篇》剪彩（哗哗哗，掌声响起来，我心更明白…）。在这一部分里面，会在更高的层次上，分析设计问题。大伙儿不仅 仅能看到《单元篇》里面的各个部件的应用，而且会发现系统绝对不是单元的简单的搭积木。在整个讲座里面，“变化”是永远的主题。
         
        《玩转IP core》之十六：来个批发价，多路数字中频系统设计
        摘要：数字中频主要分两种类型：数字上变频（DUC）和数字下变频（DDC），它们的主要功能是相反，但原理和实现的方法是十分相似。由于FIR滤波器里面讲的是下采样的例子，这里也就以数字下变频作为例子，这样匹配。
         
        《玩转IP core》之十七：看客做饭，CDMA接收机的同步
        摘要：这一讲里面会介绍CDMA系统的同步部分，这不是重点。关键是，大伙儿会看到同样的算法，在终端和基站侧由于系统用户数目不同，会有不同实现。这是给大家的一个启示：不能因循守旧，要与时俱进。
         
        《玩转IP core》之十八：磨刀不误砍柴工，程序的风格
        摘要：“代码风格和规则”这个问题，很多人看来不是十分重要。但是，我问问大伙儿几个现象，看看是否遇到过？过了三个 月，读不懂自己的程序的，有木有？看别人代 码，赶脚不如自己重写的，有木有？做C代码的，竟然能看懂你的程序的，有木有？调试的时候，感觉是老虎吃天----无从下口，有木有？如果有，以老衲的经 验，多多少少和“代码风格和规则”有些瓜葛。
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