[笔记].浅析在Nios II中的两种寄存器映射方法的异同
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
/*-----版权声明-----
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*-----文件信息-----
* 文件名称：Amy_S_max7219_avalon_interface.v
* 最后修改日期：3.20, 2010
* 描述：Max7219的Avalon接口描述文件
*------------------
* 创建者：张亚峰
* 创建日期：3.20, 2009
* 版本：1.0
* 描述：原始版本
*------------------
* 修改者：
* 修改日期：
* 版本：
* 描述：
*-------------------
*/
module Amy_S_max7219_avalon_interface(
// Clcok Input
input csi_clk,
input csi_reset_n,
// Avalon-MM Slave
input avs_chipselect,
input [1:0] avs_address,
input avs_write,
input [31:0] avs_writedata,
// Conduit End
output reg coe_din,
output reg coe_cs,
output reg coe_clk
);
// write
always@(posedge csi_clk, negedge csi_reset_n)
begin
if (!csi_reset_n)
begin
coe_din <= 1'b0;
coe_cs <= 1'b0;
coe_clk <= 1'b0;
end
else if (avs_chipselect & avs_write)
begin
case (avs_address)
0: coe_din <= avs_writedata[0];
1: coe_cs <= avs_writedata[0];
2: coe_clk <= avs_writedata[0];
endcase
end
end
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
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ // 寄存器映射 开始 // 根据HDL编写 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ #include #define IOWR_MAX7219_DIN(base, data) IOWR(base, 0, data) #define IOWR_MAX7219_CS(base, data) IOWR(base, 1, data) #define IOWR_MAX7219_CLK(base, data) IOWR(base, 2, data) //-------------------------------------- // 寄存器映射 结束 //--------------------------------------
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
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ // 基地址 开始 // 根据SOPC Builder设置编写 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ #include "system.h" #define max7219_addr MAX7219_BASE //-------------------------------------- // 基地址 结束 //-------------------------------------- //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ // 寄存器映射 开始 // 根据HDL编写 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ #include #define IOWR_MAX7219_DIN(base, data) IOWR(base, 0, data) #define IOWR_MAX7219_CS(base, data) IOWR(base, 1, data) #define IOWR_MAX7219_CLK(base, data) IOWR(base, 2, data) //-------------------------------------- // 寄存器映射 结束 //-------------------------------------- //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ // 管脚操作 开始 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ #define SET_DIN IOWR_MAX7219_DIN(max7219_addr, 1) #define CLR_DIN IOWR_MAX7219_DIN(max7219_addr, 0) #define SET_CS IOWR_MAX7219_CS(max7219_addr, 1) #define CLR_CS IOWR_MAX7219_CS(max7219_addr, 0) #define SET_CLK IOWR_MAX7219_CLK(max7219_addr, 1) #define CLR_CLK IOWR_MAX7219_CLK(max7219_addr, 0) //-------------------------------------- // 管脚操作 结束 //--------------------------------------
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
#include "Amy_S_max7219.h"
/*
* 发送一个字节的子程序：
* 上升沿发送数据，
* MSB first
*/
void Max7219_WriteByte(alt_u8 byte)
{
alt_u8 i;
for (i=0; i<8; i++)
{
CLR_CLK;
if(byte & 0x80)
SET_DIN;
else
CLR_DIN;
byte <<= 1;
SET_CLK;
}
}
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
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
// 寄存器映射 开始
// 根据HDL编写
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
#include "system.h"
#include "alt_types.h"
typedef struct
{
alt_u32 DIN : 32;
alt_u32 CS : 32;
alt_u32 CLK : 32;
}MAX7219_T;
#define m7219 ((MAX7219_T *)(MAX7219_BASE))
//--------------------------------------
// 寄存器映射 结束
//--------------------------------------
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
/*
* 发送一个字节的子程序：
* 上升沿发送数据，
* MSB first
*/
void Max7219_WriteByte(alt_u8 byte)
{
alt_u8 i;
for (i=0; i<8; i++)
{
m7219->CLK = 0;
if(byte & 0x80)
m7219->DIN = 1;
else
m7219->DIN = 0;
byte <<= 1;
m7219->CLK = 1;
}
}
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
IOWR=32DIRECT(GPIO_LED_BASE, 0, 1); 0x04000234 : movhi r3,2048 0x04000238 : addi r3,r3,6144 0x0400023c : movi r2,1 0x04000240 : stwio r2,0(r3) LED = 1; 0x04000224 : movhi r3,2048 0x04000228 : addi r3,r3,6144 0x0400022c : movi r2,1 0x04000230 : 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
#define ALT_MODULE_CLASS_max7219 Amy_S_max7219 #define MAX7219_BASE 0x1002020 #define MAX7219_IRQ -1 #define MAX7219_IRQ_INTERRUPT_CONTROLLER_ID -1 #define MAX7219_NAME "/dev/max7219" #define MAX7219_SPAN 16 #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
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
// 寄存器映射 开始
// 根据HDL编写
//++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
#include "system.h"
#include "alt_types.h"
typedef struct
{
alt_u32 DIN : 32;
alt_u32 CS : 32;
alt_u32 CLK : 32;
}MAX7219_T;
#define m7219 ((MAX7219_T *)(MAX7219_BASE | 1<<31))
//--------------------------------------
// 寄存器映射 结束
//--------------------------------------
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
typedef struct{
struct{
alt_u8 DIN : 8;
alt_u32 NC : 24;
}offset_0;
struct{
alt_u8 CS : 1;
alt_u32 NC : 31;
}offset_1;
struct{
alt_u8 CLK : 1;
alt_u32 NC : 31;
}offset_2;
}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
