PWM 硬件
编写存储器映射硬件模块的首要任务是以软件方式决定寄存器映射图。在PWM案例中，一般设计师希望能用软件设置周期和脉宽。在硬件设计中用计数器统计系统时钟周期数是非常容易的。因此要用到两个寄存器，分别命名为pulse_width和period，并且都在时钟周期内度量。表1给出了PWM 的寄存器映射图。
为了确定输出信号，硬件可简单地通过将period和pulse_width寄存器内容作为运行中的计数器保持的输出。
接下来要为PWM选择端口，大多数端口可以依据总线架构而定。表2提供了通用存储器映射PWM的信号描述概要。通常为低电平有效的信号命名做法是在信号名上加“_n”，对于控制信号更是如此。表2中的write_n和clr_n信号就是低电平有效的信号(下降沿触发)。
至此我们已经定义好了硬件模块的接口，接下来就可以开始编写 verilog 代码了。清单3给出了一个实现例子。
清单3：用Verilog实现的PWM硬件。
module pwm (clk, write_data, cs, write_n, addr, clr_n, read_data, pwm_out);
input
input [31:0]
input
input
input
input
output [31:0]
output
clk;
write_data;
cs;
write_n;
addr;
clr_n;
read_data;
pwm_out;
reg [31:0]
reg [31:0]
reg [31:0]
reg
reg [31:0]
wire
period;
pulse_width;
counter;
off;
read_data;
period_en, pulse_width_en; //写使能
// 定义period和pulse_width寄存器的内容
always @(posedge clk or negedge clr_n)
begin
if (clr_n==0)
begin
period<=32''h 00000000;
pulse_width<=32''h 00000000;
end
else
begin
if (period_en)
period<=write_data[31:0];
else
period<=period;
if (pulse_width_en)
pulse_width<=write_data[31:0];
else
pulse_width<=pulse_width;
end
end
// period和pulse_width寄存器的读访问
always @(addr or period or pulse_width)
if (addr == 0)
read_data=period;
else
read_data=pulse_width;
always @(posedge clk or negedge clr_n)
begin
if (clr_n==0)
counter<=0;
else
if (counter>=period-1)
counter<=0;
else
counter<=counter+1;
end
always @(posedge clk or negedge clr_n)
begin
if (clr_n==0)
off<=0;
else
if (counter>=pulse_width)
off <= 1;
else
if (counter==0)
off<=0;
else
off<=off;
end
assign period_en = cs & !write_n & !addr;
assign pulse_width_en = cs & !write_n & addr;
// PWM 输出
assign pwm_out=!off;
endmodule
首先是端口说明，接着是内部信号说明。构成PWM软件控制接口的存储器映射型寄存器被声明为reg。该代码行只允许以32位的方式访问这些存储器映射型寄存器。如果需要8位或16位访问，就必须将寄存器分割成4个8位寄存器，并增加字节使能信号逻辑。用 verilog 代码实现这一功能是非常简单的。 always块中已赋过值的所有信号都被声明为reg类型。声明为wire类型的信号是period和pulse_width寄存器写入使能信号。这些信号使用连续赋值语句进行赋值。
清单的余下部分即是实际的代码，共有4个always块，最后还有几个赋值语句。每个always块描述一个信号或一组有相同基本行为(换句话说，使用相同的控制逻辑)的信号的行为。这是使代码具有可读性并能减少错误的Verilog代码编写风格。所有的always块都有复位逻辑，当 clr_n信号被证实(设为0)时，复位逻辑将信号置为0。虽然这样做并不是严格必需的，但这是一种良好的设计习惯，能使每个信号在复位时都有确定的值。
第一个always块描述了寄存器映射中的寄存器行为。当正确的使能信号被证实时，write_data寄存器值就被写入period或 pulse_width寄存器中。这是改变任一寄存器值的唯一途径。该文件底部的连续赋值语句定义了写入使能信号。当主写入使能信号和芯片选择信号同时被证实时，period和pulse_width寄存器的写入使能信号就被证实，此时period和pulse_width的地址位应分别被置为0和1。
第二个always块定义了寄存器映射图中读寄存器。Period寄存器位于外围电路的基本地址处，pulse_width寄存器在后面32位字地址处。
第三和第四个always块一起来决定PWM的输出。第三个always块实现计数器功能，它连续计数到period寄存器设置的值时复位到 0，然后重新开始计数。第四个always块对该计数器值与pulse_width寄存器值进行比较，当计数器值小于pulse_width值时，PWM 输出保持高电平，否则设为低电平。
需要牢记的是不管在何种条件下每个信号都必须有明确的值。回顾一下硬件的基本行为特征——“始终在运行”。例如在最后一个always块(描述 off信号的那个块)中，代码的最后行将off赋于它本身。最初看来好象比较奇怪，但如果没有这一行的话，off值将是不确定的。对这一情况保持跟踪的最方便途径是确保每次信号会在if语句中赋值，在相应的else语句中也赋值。
软件访问
现在硬件完成了，可以利用寄存器映射图中的寄存器通过软件对PWM实施控制。读者可以用一个简单的带指针的数据结构连接PWM中的寄存器。
typedef volatile struct
{
uint32_t period;
uint32_t pulse_width;
} PWM;
例如，可以将PWM连接到LED。先初始化一个名为pLED、类型为PWM*的变量，将其指向PWM基地址。这样做实际上是将硬件抽象进了一个数据结构。向pLED->period写入数据会设置或改变period值，向pLED->pulse_width写入数据将改变占空比，并导致LED 的亮度增加或减少。如果使用的是闪烁型LED，只需把周期变长，让肉眼清晰辨别开和关的周期即可。
清单3所示的 verilog PWM 实现在本例中是作为ALTEra的Nios处理器系统的外围电路进行测试的，可以利用前文所述的C结构通过软件对它访问。Altera的SOPC Builder创建了宏，可以使ModelSim(明导资讯公司的一个硬件仿真器)中的协同仿真。在系统执行C代码时可以利用ModelSim仿真器观察到PWM信号以及其它系统信号的行为。
清单4给出了用于产生图1所示PWM波形的C代码。C代码向PWM寄存器写入数据，创建出周期为5个时钟周期、脉宽为4个时钟周期的PWM输出信号。请注意在波形的开始处，由于period和pulse_width寄存器都被写入了数据，cs和wr_n信号被证实了二次（在写period寄存器时地址信号为低电平，在写pulse_width寄存器时地址信号变成了高电平）。
清单4：用于产生图1所示PWM波形的测试软件。
void
main(void)
{
PWM * const pLED=...
pLED->period=5;
pLED->pulse_width=4;
asm("nop");
asm("nop");
asm("nop");
pLED->pulse_width=2;
}
在寄存器中写入新值后，pwm_output信号开始反映出变化。然后，只加入一些时延我们再看输出，一些NOP指令被C代码执行了。最终，脉宽变为2个周期，PWM波形相应也有了变化，但周期仍保持为5个时钟周期。
设计嵌入式系统架构时最好将系统分成硬件和软件二大模块，以便充分利用各自的优势。随着开发工具的不断发展，软件和硬件模块的相互交换也变得越来越透明。
一旦充分理解了本文讨论的概念和内容，也就掌握了在 FPGA 上开发硬件的技能。FPGA能被用作微处理器系统中的一个存储器映射式外围电路，可以通过简单的编程实现接口。由于用硬件实现算法的速度快得多，将算法从软件转换成硬件可以极大地提高系统性能。这就是人们常说的硬件加速，掌握这一技术是熟练使用可编程逻辑器件中被有效实现的可配置处理器的关键。从长远来看，即使是软件工程师也能通过硬件加速提高系统性能和效率。
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