很多朋友在學習FPGA的時候會發現模塊劃分很令人頭大，今天我就通過明德揚溫度檢測工程來與大家分享一下本人的劃分思路。

明德揚溫度檢測工程是基于FPGA的一個實用項目，可以在明德揚的MP801開發板上進行實驗學習。本工程功能雖小，但基本上涉及了FPGA的常見功能，如接口傳輸、指令解析、外設的控制等，是比較好的入門工程。

一、模塊劃分要點總結

1、列出項目的功能要求(客戶提出的產品功能要求)

2、畫出硬件的系統結構框圖(添加外設)

3、框圖中每個外圍接口都對應有一個接口轉換模塊

接口轉換模塊的作用是將外圍器件的接口時序轉為通用的接口時序，或者將通用接口時序轉換為外圍器件接口時序，這樣使得FPGA內部其他模塊不用再關心外圍接口的時序了。

MDY規范通用接口時序：

data以及對應的vld，傳輸單個數據格式

MDY的包文格式，din，vld，SOP，EOP，MTY，ERR

wren，waddr，wdata;rden，raddr，rdata，rdata_vld

4、考慮是否涉及指令系統(操作碼+數據格式)

上位機，例如PC，ARM，DSP或者其他的器件，只涉及到一個接口，但是卻有很多指令或者命令功能要發送，因此就需要一個指令系統。

指令系統一定會涉及到命令、地址和數據。這種情況，肯定會有一個“寄存器解析模塊”，根據命令、地址和數據，改變相應的寄存器的值。

5、考慮外圍器件是否涉及寄存器配置

項目中有某些外設，上電工作前需要進行配置才能按要求工作。因此需要對外設內部寄存器進行讀寫，這一流程是通過FPGA來進行配置。

遇到這個情況，使用MDY推薦的模塊寄存器配置結構：

寄存器配置表模塊+寄存器讀寫配置模塊+外設配置接口時序轉換模塊

6、根據實際情況，增加、補充或者拆分，優化對應模塊，隨時調整

原則：根據接口信號，看模塊間是否方便對接。接口就決定了模塊功能。所以在這一層的調整，一定要清楚接口的定義。

7、考慮是否涉及多路進一路出，要用FIFO

調度FIFO要考慮自身帶寬能否滿足多路一起突發發送時的數據量情況。如果帶寬不滿足，就要要輸出給上游模塊RDY信號。此時RDY信號有效取決于自己設置FIFO的Almost Full信號。如果帶寬滿足則不必設RDY信號。

8、考慮是否涉及到速率匹配問題，要加上RDY信號或者FIFO

首先考慮與外圍器件通信的接口上是否需要rdy信號(FPGA內部運行頻率往往與設接口速率不一致)，然后考慮FPGA內部模塊間數據帶寬是否不一致，有等一等的情況。

二、溫度檢測案例分析

接下來根據上面的總結的要點，通過實際項目案例來分析一下FPGA內部功能模塊是怎樣劃分的。這里我們選取已經做過的溫度檢測項目，接下來按照上面總結的模塊劃分步驟，一步步完成模塊初步劃分!

1.列出項目的功能要求

本項目功能要求：上位機通過發送一系列不同命令給FPGA，FPGA接收到指令后執行各個指令對應的操作。同時將DS18B20采集到的溫度值實時在數碼管上實時顯示出來并傳給上位機。要求上位機可以發送命令設置報警溫度上限和下限值。當溫度值超過溫度上限或者下限，蜂鳴器就開始鳴響。可以發送命令關閉或打開數碼管顯示。

功能分析：

上位機發送命令給FPGA(開關數碼管顯示、開關蜂鳴器、復位溫度傳感器、開啟溫度轉換，讀轉換后溫度值、設置報警溫度上限下限值);

讀寫DS18B20;

數碼管顯示;

數碼管顯示開關控制;

計算溫度值;

將計算后的溫度值發送給上位機;

設置溫度上限、下限;

蜂鳴器開關控制。

2.畫出硬件系統結構框圖

根據步驟1總結出的功能要求，找到除FPGA外需要哪些外圍器件。

外圍器件總共需要四個：

PC

數碼管

溫度傳感器DS18B20

蜂鳴器

畫出系統框圖如下所示：

3.框圖中每個外圍接口都對應有一個接口轉換模塊

首先要思考PC與FPGA通信需要哪種方式?

上位機PC與FPGA通信既有發送也有接收，由于PC發送命令給FPGA的速度慢于FPGA回傳溫度值給PC的速度，所以上位機PC與FPGA通信接口速度取決于FPGA回傳溫度值給PC的速度。

查閱手冊如上圖所示，得知DS18B20轉換一次采集的溫度值需要750ms。所以FPGA與上位機通信接口速率大于750ms就不會丟傳數據。因此選用串口作為上位機與FPGA的通信接口足夠滿足要求了。

數碼管段選位選接口模塊：完成數碼管位選和段選的輸出

DS18B20單bit轉換接口模塊：DS18B20是單總線協議，只支持1bit數據傳輸，所以需要將MDY規范接口轉換為1bit

蜂鳴器開關使能接口模塊：完成蜂鳴器開關使能

將串口接口轉換模塊功能細分為“串口接收串轉并模塊”和“串口發送并轉串模塊”，進一步轉化為符合MDY規范的接口。如下圖所示：

4.考慮是否涉及指令系統

本項目涉及指令系統，上位機需要發送指令給FPGA，進而配置溫度傳感器，配置溫度報警上限和下限值，同時可以發送指令控制數碼管顯示關閉，蜂鳴器開關。因此，系統框圖中需要加入“寄存器解析模塊”，如下圖所示：

5.考慮外圍器件是否涉及寄存器配置

本項目中，DS18B20需要配置內部寄存器，但是本項目并沒有采用MDY模板的方式(讀取配置寄存器表的方式來對DS18B20進行配置)，而是通過上位機發送配置命令，解析配置寄存器值再對DS18B20進行配置。

6.根據實際情況，增加、補充或者拆分獨立對應模塊，隨時調整

到第6步，根據數據流向，需要對模塊間的接口進行詳細分析了，補充模塊或者將功能相同的模塊合并。

首先，從串口接口方向思考，

接收到的數據是上位機發來的ASCII碼，為了方便FPGA對指令解析，需要將ASCII碼譯碼，轉化為對應的十六進制。因此需要一個ASCII碼轉8bit十六進制模塊;

接下來，需要對接收包文的包頭進行檢測，符合正確包頭條件的包文保留，否則丟包處理。所以需要一個包頭檢測模塊，用來過濾接收到的有效包文;

經過寄存器解析模塊后，會將指令解析出來，根據指令功能要求可能分別發送給DS18B20、數碼管顯示開關控制模塊、數碼管段選位選接口模塊、蜂鳴器控制接口模塊;

寄存器解析模塊發送過來的是8bit數據，不能直接發送給DS18B20(18B20只接收單bit)，所以在寄存器解析模塊和單總線轉換接口模塊之間需要一個8bit轉換為1bit模塊;

溫度報警功能需要做判斷實時溫度是否大于上限值，是否小于下限值。所以需要一個實時溫度值比較判斷模塊;

然后，從DS18B20方向思考;

采集到的溫度數據，通過單bit接口轉換模塊傳給FPGA的是單bit數據，為了后面方便FPGA對數據進行處理，需要將1bit轉換為8bit。所以需要一個1bit轉8bit模塊;

8bit溫度數據需要經過計算處理，因此需要一個數據處理模塊;

上位機只顯示ASCII碼格式數據，為實現溫度值在上位機上能顯示，需要將8bit溫度值轉換為ASCII碼，所以需要一個8bit十六進制數據轉換為ASCII碼模塊;

經過數據處理后的結果是十六進制，而數碼管顯示的是BCD碼，為了實現數碼管上顯示正確數據，因此需要一個十六進制轉BCD碼模塊。

完善后如下圖所示：

接下來將功能互斥、數據流向相關，接口一致的模塊做合并化簡處理，如下圖所示：

7.考慮是否涉及多路進一路出，要用FIFO

本項目數據流方面沒有涉及多路進一路出的問題，不需要考慮此處的FIFO問題。

8.考慮是否涉及到速率匹配問題，要加上RDY信號或者FIFO

本項目涉及速率匹配問題。

首先考慮與外圍器件通信的接口上是否需要rdy信號。

與DS18B20通信是通過寄存器解析模塊解析出對DS18B20的操作指令，發送給8bit轉1bit模塊，因此需要考慮DS18B20能否時刻響應操作指令?

這個問題在選擇上位機與FPGA的通信接口時，已經考慮過了，串口的速率小于FPGA寫DS18B20速率的。

查閱手冊得知，寫一次1bit的數據給18B20需要63us，8bit需要63*8=504us，小于串口發送一次8bit指令給FPGA時間1000000us/9600*8=833us。

所以串口接收數據通路上不需要考慮緩存FIFO問題。

在單總線1bit接口轉換模塊中，由于寫DS18B20時序速率遠小于FPGA內部讀寫頻率，需要告知8bit轉1bit模塊每寫1bit數據要等一等，待時序滿足發送完1bit時序要求后，再發送新的1bit數據。所以在單bit接口轉換模塊與8bit轉1bit模塊間需要設rdy信號。

接下來考慮一下串口發送端。由于串口發送模塊進行并串轉換需要時間，因此串口發送模塊需要告知上游十六制轉ASCII碼模塊等一等，因此在串口發送模塊與十六進制轉ASCII碼模塊間需要設rdy信號。

由于串口發送模塊并串轉換需要等待，從而導致十六進制轉ASCII碼模塊也需要緩存control模塊發來的數據。因此十六進制轉ASCII碼模塊中需要引入FIFO。

最終得到的模塊圖如下所示：

到此，根據模塊劃分步驟一步步做下來，溫度檢測工程的模塊劃分雛形初步已經完成。具體實踐中需要根據FPGA內部信號的調整，隨時拆分或獨立來增減功能模塊。

審核編輯：湯梓紅