实现稳健的微控制器到FPGA SPI接口：双缓冲区机制详解

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@小白创作中心

实现稳健的微控制器到FPGA SPI接口：双缓冲区机制详解

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https://m.elecfans.com/article/2840950.html

在嵌入式系统设计中，微控制器（uC）与现场可编程门阵列（FPGA）之间的SPI接口常常需要处理数据同步和稳定性问题。本文将详细介绍如何通过双缓冲区机制实现稳健的微控制器到FPGA SPI接口，特别是在脉宽调制（PWM）模块的应用中。

PWM模块回顾

在深入探讨双缓冲区之前，我们先简要回顾一下Verilog PWM模块的工作原理。PWM模块的顶层接口如以下Verilog代码片段所示：

module PWM #(parameter
B = 12,
D_MIN_PERCENT = 0,
D_MAX_PERCENT = 95
)
(
input wire clk,
input wire enable,
input wire [B -1:0] d_in,
output reg PWM,
output reg [B -1:0] cnt
);

这个模块使用了位宽参数，并设置了最小和最大占空比限制。值得注意的是，PWM模块有一个[B - 1:0]输入矢量来设置占空比。

同步数据呈现的挑战

PWM设计通常需要在更大的uC到FPGA SPI系统中工作。SPI协议自然地使用字节宽度的数据元素进行操作，这与使用B定义的数据宽度操作的PWM形成对比。假设PWM以16位的位宽度(B)实例化。

当系统更新与PWM输入相关的寄存器时，如果没有适当的注意，PWM可能在更新过程中执行读取操作。这可能导致驱动器字节被分割成一个旧字节和一个新字节，从而引起占空比的显著跃升，持续一个PWM周期。这种问题在更复杂的系统中可能导致系统不稳定。

双缓冲模块设计

为了解决上述问题，我们引入双缓冲方案。双缓冲模块的框图如图1所示：

图 1 :双缓冲区的框图，显示了单个8位缓冲区与输出缓冲区之间的关系。

双缓冲模块由四个主要部分组成：输出寄存器、8位寄存器（LSB和MSB）、控制部分和时钟信号。输出寄存器由两个8位寄存器驱动，在本例中它们被标记为LSB和MSB。所有的寄存器更新都是由双缓冲区的控制部分发起的，这是一个同步操作，所有元素响应主100MHz时钟的滴答声。

双缓冲模块的Verilog代码如下：

module double_buffer #(parameter
BYTE_WIDTH = 2,
BASE_ADDRESS = 16'h0200
)
(
input wire clk,
input wire [7:0] data,
input wire [15:0] address,
input wire write_strobe,
output reg [((8 * BYTE_WIDTH) - 1): 0] double_buffer_out,
output reg new_data_strobe
);