探秘HPM6200系列MCU的可编程逻辑阵列

来源:MCU开发加油站发布时间:2023-07-052047浏览

一、HPM6200 系列 PLA 整体结构

HPM6200 系列的 UM 中带有 PLA 的结构简图。为了方便大家把握整体结构，我也绘制了一个稍微更详细的结构图，将 PLA 外设中的大部分元素都展示出来，并给出了单个通道内的具体结构。

从总体来看，PLA 外设拥有 8 输入、8 反馈、8 输出，其中 8 输入、8 反馈是内部的 8 个通道共享，8 输出则是每个通道使用一个。输入、输出均连接到 TRGM 外设，再通过 TRGM 连接到定时器、编码器、外部引脚等地方。需要注意的是，PLA 的 8 输入、8 输出并非全部都能引出至外部引脚中。每个 PLA 外设都连接到一个指定的 TRGM 外设，而每个 TRGM 外设最多仅可连接 12 个外部引脚，同时 TRGM 还可能有其他信号需要接到外部引脚中，如果想要使用更多外部引脚，则还需要使用 TRGM 间连接等方式。因此，在设计 PLA 程序时需要尽可能提前考虑 I/O 安排的问题。

每个 PLA 外设由一个滤波器 FILTER1 和 8 个通道组成，FILTER1 对输入和反馈信号进行滤波后，宽度为 16bit 的信号将同时输入到 8 个通道之中（这个扇出也挺惊人的）。每个通道的输出宽度均只有 1bit，8 个通道合并组成的 8bit 就是 PLA 外设的输出。下面我们将分别对 PLA 滤波器和单个通道进行介绍。

二、PLA 外设中的滤波器

和我们之前介绍过的 PLA 结构相比，HPM6200 系列的 PLA 最大的特点就是多出了一些滤波器。每个 PLA 外设都有一个 FILTER1 滤波器，8 个通道中每个通道还各有一个 FILTER2 滤波器和 FILTER3 滤波器。目前，文档中并没有向我们介绍这些滤波器的设计目的，不过我们也不难从其功能中窥探一二。无论是 FILTER 1, 2 还是 3，他们的功能基本一致：将输入信号经过同步、边沿检测、软件注入和扩展滤波四个环节后输出。

1. 同步

文档中并没有告诉我们同步功能的具体实现方式，不过在这一段描述里面，我们可以大致猜测出很多信息：

FILTER_SYNC_LEVEL 位选择同步器级数，清 0 时为 2 级同步，置 1 时为 3 级同步。根据该位的设置，同步器会将信号延时 2 个或者 3 个时钟周期。

2级、3 级同步可选，听上去就与跨时钟域处理中的同步器很像。比较了解 FPGA 或 IC 设计的朋友知道，同步器是减少亚稳态对逻辑电路影响的一个常用措施，PLA 外设可以接受外部输入的信号，自然也算是一种“跨时钟域”传递信号的过程。同时，增加同步功能还有利于避免出现组合逻辑电路的竞争-冒险，毕竟 FPGA 和 CPLD 开发时有 EDA （尽管 EDA 也不完全可靠）工具帮忙看着，我们在和 PLA 玩耍的时候就没那么好的条件了。因此我们不妨猜测同步功能实际上就是使用 2/3 级触发器构成的同步器。

2. 边沿检测

这一功能很好理解，将边沿转为脉冲，此处不再赘述。

3. 软件注入

这一功能也很好理解：强制将输出设置为高电平或低电平。实际上各逻辑门前的四选一 MUX 也能实现类似的功能，这一功能更多是为可配置触发器 CFF 或者是降低配置复杂度而生的。

4. 扩展滤波扩展滤波要比上面三个功能复杂得多，文档也并没有讲得特别清楚，下面我将结合实际例子，分别介绍它的四个滤波类型效果。

在开始之前，我们首先要了解 PLA 外设的时钟。PLA 外设挂载在 AHB/APB 总线下，因此也受在 AHB/APB 时钟（默认 200MHz）驱动。在上文提到的同步器同步周期数量中，2/3 级同步就是指的 AHB/APB 时钟的 2/3 个周期。扩展滤波功能最高支持 65535 周期的扩展，对应的 AHB/APB 时钟周期数也为 65535 周期，单个周期的时间为 5ns，这在我们后续的计算中会常常用到。对于 hpm_sdk v1.2 以前的版本，周期数配置部分存在一个小 bug，需在代码中将计算出来的周期数乘二。

（1）输入高电平扩展

这一个模式相对比较好理解：扩展高电平的长度，也就是在输入信号变为低电平以后，输出信号仍会保持高电平，时间为设定的周期数。下图给出了一个例子。输入信号是周期为 80μs，占空比 50% 的 PWM 信号，滤波器设置为输入高电平拓展，周期数为 2000，输出信号较输入信号延迟10μs 变为低电平。

（2）输入低电平扩展

这一个模式正好与上一个模式相反。下图输入信号仍是周期为 80μs，占空比 50% 的 PWM 信号，滤波器设置为输入低电平拓展，周期数为 2000，输出信号较输入信号延迟 10μs 变为高电平。

（3）输出状态扩展

这一个模式可以看作是以上两种模式的加和：既延长低电平时间，也延长高电平时间。输入信号发生变化时，输出信号将先在设定的周期数内维持现有状态，结束后跟随输入信号变化。这一模式可以起到两个效果，一是将脉冲宽度小于设定周期数的脉冲全部过滤掉，二是将脉冲宽度大于设定周期数的脉冲延迟设定周期后输出。

下图前半段输入信号是一个脉冲宽度为 40μs 的 PWM 波，输出信号对比输入信号延迟了 10μs；在后半段将输入信号和输出信号对比，则可以发现所有宽度不大于 10μs 的波形都被过滤掉了。

（4）输入跳变扩展

这一模式下输出信号跟随输入信号变化，但是当输出信号发生过跳变以后，在设定周期数的时间内，输出信号将保持不变，随后输出信号继续跟随输入信号的变化。

下图中前半段滤波器设置的周期数为 2000，对应 10μs 的时间，因此对于半周期 20μs 的 PWM 信号不会产生任何影响；后半段滤波器设置的周期数为 6000，对应 30μs 时间，因此在输入信号从高电平跳变为低电平以后，输出信号还会继续保持高电平直至 30μs 结束。

三、PLA 外设通道结构

1. 与- 或阵列

每个通道的 16 信号输入会分别接入到 8 个 16 输入与门中，对单个输出信号最高支持 8 个最小项相加（8 个与门），并可生成 7 个输出信号（7 个或门）。每个逻辑门的输入端都有一个四选一 MUX，可选逻辑 1、逻辑 0、原信号和原信号取反四种输入。

2. 可配置触发器

CFF 可被配置为 D 触发器、双边沿 D 触发器、JK 触发器、T 触发器、锁存器、运算器和直接输出信号这几种功能。CFF 的输出即为其所在通道的输出，输出信号宽度 1bit，输入信号宽度则为 7bit，CFF 配置为各类触发器时，触发器的使能、置位、同步/异步复位、时钟等信号均来自于 7bit 宽度的输入信号，具体的分配表可见 UM 文档。除了使用输入信号以外，CFF 还可以使用 AHB/APB 的时钟。

四、如何使用 HPM_SDK 中的PLA驱动

在之前介绍的各种含有 PLA 的芯片基本都会配置对应的 EDA 工具，用户一般可以使用 verilog 编程或者图形化界面编程，由 EDA 工具生成比特流。比如 PSoC 芯片用户可以使用图形化界面编辑状态机的状态转移条件，再由软件完成后端的处理。HPM6200 的 PLA 则没有使用这种开发方式，而是将所有的可配置项均以寄存器的方式暴露给 CPU，CPU 设置好对应的寄存器以后，PLA 即可开始工作。

1. FILTER

滤波器的可配置项非常多，包括是否同步、是否启用边沿检测、是否软件注入等一系列内容，不过最关键的其实是准确把握配置的数量。PLA 中有 1 个 FILTER1、8 个 FILTER2 和 8 个 FILTER3，FILTER1/2/3 中分别有 16/8/7 个信号，每一个信号都可以独立设置上述介绍过的所有滤波功能，也就是共有 136 个信号，很容易错配、漏配。因此，除了所有通道共用的 FILTER1 单独配置以外，FILTER2/3 建议和它们所在的通道一同配置，避免混淆的同时，如果部分通道没有使用，也就不需要对它们的 FILTER2/3 进行配置了。

滤波器的配置结构体是一个位域结构体，使用四个字节保存一个信号的滤波选项，其每个成员的功能结合手册也非常容易理解，注意，配置结构体里面并没有任何关于该配置位于哪个通道、哪个滤波器等位置的信息。结构体填充完成以后，则需要使用以下几个函数完成设置：

这里面实际上有不少容易踩坑的地方。例如 FILTER2/3 都只有一个函数，而 FILTER1 有 in/out 两个函数。实际上 in/out 两个函数分别负责 FILTER1 16 个信号里面前 8 个和后 8 个信号的配置，原因大概是前 8 个是 PLA 的输入信号，后 8 个则是 PLA 的输出信号反馈回来的。刚刚提到的滤波器配置结构体里面并没有关于位置的信息，因此这些信息要以参数的形式提供给设置函数。以在通道 3 的 FILTER2 为例，使用 pla_set_filter2() 时不仅要写明通道 3，还要指出是 FILTER2 8 个信号中的具体哪一个信号。而 SDK 中通道参数和信号参数分别叫 chn 和 filter2_chn，使用时一定要注意区分两者之间的差别。

2. 与门16 输入与门本身只有一个可配置的内容：各输入信号的 MUX 选项。不过同样需要注意数量和位置的问题。8 个通道里面，每个通道有 8 个与门，每个与门又有 16 个 MUX。当然，除了没有使用的通道无需配置以外，部分没有使用的与门也可以不进行设置，默认状态下与门将输出低电平。

与门的配置结构体是 pla_aoi_16to8_chn_cfg，可以对一个与门进行配置，记得不要被它名字里面那个 chn 给欺骗了。结构体里面有 pla channel 和 aoi_16to8 channel 两个“通道”成员，一个指的是 PLA 的通道，另一个则是指 8 个与门的编号。个人认为这样设计其实容易混淆，可以在命名方面更加有区分度一些。

一个与门中有 16 个 MUX，因此 pla_aoi_16to8_chn_cfg 里面有长度为 16 的 MUX 配置结构体 pla_aoi_16to8_cfg_unit_t 数组。MUX 配置结构体的 signal 成员是信号的编号；op 成员的四个选项对应 MUX 的四个选项，对应关系在上面的代码注释中给出。最后我们需要使用以下函数对一个与门进行配置。

3. 或门

或门的代码和注意事项和与门大同小异，数量上一个通道有 7 个或门，每个或门有 8 个 MUX，比与门会少不少，其余部分基本一致，参照使用即可。

4. 可配置触发器

CFF 可配置的内容并不多，主要就是功能选择和时钟源，具体情况可参考源代码。需要注意的是触发器的同步复位、同步置位、异步复位、异步置位等信号有的是高电平有效，有的则是低电平有效，且有优先级顺序，使用时需要对照手册仔细调整。

5. 使能 PLA

在完成上述全部配置完成以后，还需要对每一个通道进行使能。

在没有使能的情况下，PLA 的寄存器可以作为 1KB 的 APB SRAM 使用。

五、一个简单的例子：同步八进制计数器

1. 概述

在前面章节的基础上，我们将实战使用 PLA 构建一个经典的同步时序逻辑电路：同步八进制计数器。为了简化问题让大家更容易理解，我们要构建的计数器只会计数，没有复位、没有使能、没有置数，长得更像是个分频器，它的电路结构如下所示：

有了电路图，下一步就是将电路结构转换为 PLA 的配置代码。不过，由于 PLA 是与或结构，我们不妨进一步直接将使用到的与门、或门和各种信号都绘制出来，在编码时将会更加方便。

对照上图，我们可以提炼出以下信息：

此电路使用了 3 个 PLA 通道，每个通道的 CFF 均配置为 T 触发器（图上是 JK，实际功能是 T）
触发器时钟使用外部时钟PLA OUT0\OUT1\OUT2 分别作为计数器 D2\D1\D3 的输出
OUT1\OUT2 将作为反馈信号进入通道 1 和通道 2

2. 工程准备

本部分包括新建工程、使用 GPTMR 产生 1M PWM 作为时钟的代码，本文不打算讨论这一部分内容，读者可以参考 HPM_SDK 中的其他例程了解。为了区分三个通道的设置代码，在 main 函数前声明了三个通道的配置函数。

3. TRGM 与 I/OPLA 并没有专属于自己的输入输出引脚，和其他增强运动控制系统外设一样，所有输入输出信号都要通过 TRGM 处理。因此，这里的代码将 GPTMR0 CH2 的 PWM 输出引入到了 PLA0 IN0 中，将 PLA0 OUT0/1/2 输出到三个外部引脚中。为了方便对比时钟波形和计数器输出，还将 GPTMR CH2 的 PWM 也输出到外部引脚中。

4. FILTER1FILTER1 并没有特别的功能需求，因此我们只需要开启同步功能即可。

5. 通道 0来到通道 0 的配置函数，首先声明与门阵列、或门阵列和两个滤波器的配置结构体变量。

通道 0 使用了两个与门。第一个与门根据两个反馈信号相与生成 T 触发器的 T 信号，先将它的全部 MUX 设为输出逻辑 1，再将反馈通道对应的 9、10 号 MUX 修改为输出原信号。第二个与门只需要输出 PWM 时钟信号，因此只设置一个 MUX 输出原信号，其余全部设置输出逻辑 1。

FILTER2 同样只需要设置同步。

通道 0 使用了两个或门。第一个或门需要输出与第一个与门完全相同的信号，因此 0 号 MUX 设置输出原信号，其余 MUX 输出逻辑 0（注意，没有使用的信号 MUX，一般与门设置输出逻辑 1，或门设置输出逻辑 0），第二个与门也基本一致。

FILTER3 同样设置信号同步，不过不要忘了 FILTER3 同时也输出触发器的同步异步复位置位，我们这个电路没有相关功能，因此全部根据手册设置为固定值即可。如果要使用这些功能，则需要另外构建他们的控制逻辑函数。

最后是 CFF 并使能通道。

其余两个通道配置过程大同小异，就不再复制粘贴那么多次了，完整的代码可在先楫社区中获取。最终的效果如下图所示。

六、结语

通过介绍，相信大家对 PLA 已经有了一个较为全面的了解。在 6200 系列刚推出时，许多开发者非常关注的一点就是 PLA 外设能不能当作 FPGA 使用，对此，我个人的看法是“能，但不完全能”。PLA 拥有完备的逻辑结构，但是其资源数量注定只适合小型逻辑使用，尤其是触发器资源的缺乏，使得 PLA 很难单独构建稍复杂的时序逻辑电路。因此我们在开发 PLA 程序之前，对资源数量要把控地比较准确，以免做无用功。

除了底层资源的限制，个人认为，使用方式上 PLA 也有其遗憾之处：