LabVIEW FPGA代碼模塊設(shè)計(jì)（IP核）

概覽
對于利用LabVIEW FPGA實(shí)現(xiàn)RIO目標(biāo)平臺上的定制硬件的工程師與開發(fā)人員，他們可以很容易地利用所推薦的組件設(shè)計(jì)構(gòu)建適合其應(yīng)用的、可復(fù)用且可擴(kuò)展的代碼模塊?；谝呀?jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)進(jìn)行代碼模塊開發(fā)，將使現(xiàn)有IP在未來應(yīng)用中得到更好的復(fù)用，也可以使在不同開發(fā)人員和內(nèi)部組織之間進(jìn)行共享和交換的代碼更好服用。

目錄
1.代碼模塊
2.可復(fù)用代碼——知識產(chǎn)權(quán)
3.I/O與資源的獨(dú)立性
4.定時獨(dú)立性
5.框圖獨(dú)立性
6.文檔、測試與范例
7.總結(jié)

代碼模塊
任一項(xiàng)軟件開發(fā)工作均包括函數(shù)、子例程、對象和代碼模塊，以及其他較大架構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)建模塊的開發(fā)。當(dāng)設(shè)計(jì)一個應(yīng)用時，各個函數(shù)與操作均被識別和實(shí)現(xiàn)。然后，這些構(gòu)建模塊被組合與集成以形成更大的應(yīng)用。通過長期開發(fā)不同應(yīng)用的過程，一個開發(fā)小組或團(tuán)隊(duì)將創(chuàng)建表示常見操作的代碼模塊庫，并對其進(jìn)行復(fù)用以更快速地構(gòu)建未來的應(yīng)用。開發(fā)這樣的代碼庫目的是通過一次構(gòu)建和測試函數(shù)并多次復(fù)用它，減少開發(fā)的總工作量。模塊化設(shè)計(jì)，除了促進(jìn)現(xiàn)有代碼的復(fù)用外，還提高了代碼的可測試性與可維護(hù)性，從而允許開發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員關(guān)注于應(yīng)用相關(guān)的特性和代碼段。

每種編程語言以及某些情況下的編程環(huán)境都有一個優(yōu)選的代碼模塊設(shè)計(jì)模型，以便改進(jìn)代碼模塊的實(shí)現(xiàn)與集成。該優(yōu)選設(shè)計(jì)可以因具體的開發(fā)人員而異，但通常一個開發(fā)組會根據(jù)共同的需要和考慮確定一組共享的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。作為一種編程語言，LabVIEW自身擁有一組供世界各地的程序人員開發(fā)子VI使用的指導(dǎo)方針，以便子VI可以容易理解、而且運(yùn)用于不同應(yīng)用并由不同開發(fā)人員維護(hù)。LabVIEW FPGA，作為LabVIEW的一個子集，擁有其自身的一組用于利用FPGA特定行為構(gòu)建代碼模塊（子VI）的指導(dǎo)方針，以便它們可以有效運(yùn)用于廣泛的基于FPGA的應(yīng)用。

可復(fù)用代碼——知識產(chǎn)權(quán)
FPGA平臺上的可復(fù)用代碼模塊通常稱為IP（知識產(chǎn)權(quán)）核——從傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)長時間演化來的名稱。在LabVIEW FPGA中，這樣的IP核由常用于LabVIEW編程和LabVIEW工具集的子VI組成。LabVIEW FPGA中的子VI支持我們一次實(shí)現(xiàn)不同的函數(shù)與操作，優(yōu)化FPGA上的實(shí)現(xiàn)，然后將其運(yùn)用至不同的應(yīng)用。為使這樣的子VI可以與不同的重疊需求和架構(gòu)方便地協(xié)同使用，我們需要遵循某些基本指導(dǎo)方針，以確保子VI廣泛可用，而不是專為一項(xiàng)特定應(yīng)用而優(yōu)化。

為進(jìn)一步促進(jìn)和改善LabVIEW FPGA IP的復(fù)用，代碼模塊應(yīng)當(dāng)除子VI源碼以外還包括一些組件。這些組件包括文檔、測試代碼和使用IP的基本范例。

在LabVIEW FPGA應(yīng)用中，IP代碼模塊典型地用于一些操作的執(zhí)行，如通信協(xié)議（如SPI、I2C等）的編碼與解碼、數(shù)字信號處理、濾波、控制算法的實(shí)現(xiàn)、傳感器信號（如PWM、積分信號）的編碼/解碼和基準(zhǔn)標(biāo)定等。

開發(fā)LabVIEW FPGA IP的最基本指導(dǎo)方針便是，開發(fā)不僅獨(dú)立于其主應(yīng)用、而且對其主應(yīng)用不產(chǎn)生影響或不會有顯著要求的代碼模塊。IP代碼模塊與其主應(yīng)用間的唯一需求或依賴性應(yīng)當(dāng)是子VI連接面板的接口。該文檔將闡述如何在LabVIEW FPGA IP中創(chuàng)建這樣的調(diào)用獨(dú)立的IP子VI，并展示一些相關(guān)范例。

I/O與資源的獨(dú)立性
為使LabVIEW FPGA IP便于應(yīng)用于不同的應(yīng)用，它應(yīng)當(dāng)獨(dú)立于任何輸入/輸出通道（I/O）或其他硬件資源，如FPGA塊存儲器。根據(jù)具體的應(yīng)用，最終應(yīng)用可以使用不同的RIO板卡或其他FPGA目標(biāo)平臺。因此，IP代碼模塊不應(yīng)根據(jù)一個特定類型的I/O資源進(jìn)行編程。將IP模塊集成至最終應(yīng)用的編程人員或開發(fā)人員將選擇使用某個特定的I/O資源。來自I/O資源數(shù)據(jù)與值，應(yīng)當(dāng)以參數(shù)的方式傳遞給IP模塊，或從IP模塊返回。

例如對于一個PWM輸出IP模塊，應(yīng)用開發(fā)人員將為PWM輸出信號選用某條數(shù)字輸出線。在此例中，該P(yáng)WM IP模塊應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生并輸出信號的當(dāng)前狀態(tài)。開發(fā)人員將把在更高層次VI中賦值給I/O資源。該I/O資源未嵌入在IP代碼模塊的框圖中。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201706/349487.htm 圖1：一個調(diào)用PWM輸出IP代碼模塊（子VI）的應(yīng)用VI的框圖

同樣的指導(dǎo)方針應(yīng)用于任意輸入信號。例如，假設(shè)您在使用一個由數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包創(chuàng)建的模擬濾波器IP子VI，模擬數(shù)值應(yīng)當(dāng)自該濾波器子VI外部采集，然后傳遞給IP代碼模塊。

圖2：使用一個模擬濾波器IP子VI（直接FIR）。模擬數(shù)值在主VI采集并傳遞給濾波器IP。

獨(dú)立于I/O資源的IP代碼模塊的開發(fā)，使其使用更為方便和靈活，并支持將其多次集成到一項(xiàng)應(yīng)用，而不必定制該IP代碼模塊的每個實(shí)例。

塊存儲
除了I/O通道外，其他可能為LabVIEW FPGA IP使用的資源便是塊（用戶）存儲器。LabVIEW FPGA支持開發(fā)人員利用多個不同的函數(shù)訪問FPGA上的塊存儲器，其中包括存儲器讀/寫、FIFO、查詢表及其他函數(shù)。這些函數(shù)中的大多數(shù)均在塊存儲中創(chuàng)建了一個唯一的地址空間，以避免發(fā)生IP與該應(yīng)用其他IP間的存儲器沖突。

然而，LabVIEW FPGA 8.0存儲器讀函數(shù)和存儲器寫函數(shù)，對于其在作為當(dāng)前FPGA功能特性一部分的任一VI中使用的所有實(shí)例，均使用了一個16 kB共有地址空間，這個共有地址空間被當(dāng)前FPGA功能中任一VI的函數(shù)實(shí)例所使用。使用這些函數(shù)可能會與該應(yīng)用其他部分使用的存儲器產(chǎn)生沖突，因此不應(yīng)當(dāng)使用這些函數(shù)。如果需要在利用LabVIEW FPGA 8.0（或者更早版本）開發(fā)的IP代碼模塊中支持隨機(jī)存儲訪問，您應(yīng)當(dāng)使用利用LabVIEW存儲器擴(kuò)展應(yīng)用程序創(chuàng)建的一個存儲器模塊。

在LabVIEW FPGA 8.20中，每個存儲器讀函數(shù)和存儲器寫函數(shù)引用一個特定的存儲塊（地址空間），典型情況下，它在LabVIEW項(xiàng)目中作為一項(xiàng)資源被創(chuàng)建。由于這些存儲塊在項(xiàng)目中被定義，因此，如果您將一個IP代碼模塊VI加載至一項(xiàng)新應(yīng)用，它們不會自動轉(zhuǎn)遞給新的項(xiàng)目。為此，您可以在VI中定義一個存儲塊作為VI-Scoped存儲配置，而不是LabVIEW項(xiàng)目。這一VI-Scoped存儲塊可以在IP中創(chuàng)建并使用；對于任一使用該IP的新應(yīng)用，它將被自動創(chuàng)建。

圖3：使用LabVIEW FPGA 8.20 VI scoped指定存儲塊

相似地，使用塊存儲器來緩存數(shù)據(jù)的LabVIEW FPGA FIFO函數(shù)，是基于一個在LabVIEW項(xiàng)目中創(chuàng)建的FIFO資源。在LabVIEW FPGA 8.0中，如果您決定使用一個IP代碼模塊中的FIFO，該IP的用戶需要在應(yīng)用項(xiàng)目中手動創(chuàng)建相關(guān)的FIFO資源。為免除對IP代碼模塊用戶的這一額外需求，我們建議對于LabVIEW FPGA 8.0中的任何IP代碼模塊避免使用FIFO。

在LabVIEW 8.20中，您可以選擇創(chuàng)建一個VI-Scoped FIFO配置以一個VI專用FIFO存儲塊。這一操作與指定VI-Scoped存儲塊的方式相同。

圖4：使用LabVIEW FPGA 8.20 VI范圍指定FIFO

無論存儲器如何被IP代碼模塊或應(yīng)用的其他部分使用，都從FPGA上可用的公共塊存儲器上分配存儲空間，存儲空間的大小取決于目標(biāo)平臺中所使用的特定FPGA。因此，對于IP代碼模塊的使用者，重要的是知道IP使用了多少存儲器。這一信息應(yīng)當(dāng)包含在文檔和上下文感知的幫助文件中。使用IP模塊的開發(fā)人員必須明確了解應(yīng)用中不同部分所使用的塊存儲器的大小，以防止編譯過程中可能的存儲溢出。

定時獨(dú)立性
為使IP模塊能夠自由運(yùn)用于LabVIEW FPGA應(yīng)用中，該代碼模塊不應(yīng)對主應(yīng)用的定時產(chǎn)生明顯影響。例如，在處理來自一個積分編碼器的一對數(shù)字輸入信號時，解碼位置信息的代碼模塊不應(yīng)當(dāng)顯著延遲調(diào)用它的應(yīng)用程序。這就意味著，該IP代碼模塊子VI應(yīng)當(dāng)快速、高效地執(zhí)行其操作。在大多數(shù)情況下，這要求子VI中不應(yīng)存在任何循環(huán)結(jié)構(gòu)。而且，子VI也不應(yīng)使用任何等待或其他延遲代碼運(yùn)行的定時函數(shù)。如若定時或循環(huán)功能需要作為主應(yīng)用的一部分，那么應(yīng)當(dāng)在調(diào)用它的VI中實(shí)現(xiàn)這些功能。下面的框圖展示了一個積分解碼器的實(shí)現(xiàn)。該范例使用局部變量存儲IP代碼模塊一次調(diào)用以及下一次調(diào)用（其詳細(xì)描述見下段）的狀態(tài)信息。

圖5：一個積分解碼器IP代碼模塊范例

使IP代碼模塊定時獨(dú)立于調(diào)用者的指導(dǎo)方針，存在一個例外：如果該IP代碼模塊目的在于為其調(diào)用應(yīng)用提供定時功能。此類IP代碼模塊的例子便是一個數(shù)據(jù)采集掃描時鐘例程。下面的框圖展示了一個簡單的IP代碼模塊，它實(shí)現(xiàn)了一個具有附加功能特性的掃描時鐘，附加功能就是驗(yàn)證調(diào)用的應(yīng)用程序是否能夠滿足指定的定時。這一增強(qiáng)的掃描時鐘可以快捷運(yùn)用于多個不同的應(yīng)用中。在此例中，IP代碼模塊的操作與定時依賴性應(yīng)當(dāng)以文檔的形式詳細(xì)描述，以便該IP的用戶了解其應(yīng)用的定時行為將受到怎樣的影響。

圖6：一個掃描時鐘IP代碼模塊范例

框圖獨(dú)立性
LabVIEW FPGA IP代碼模塊可以運(yùn)用于使用不同編程模型的廣泛應(yīng)用中。許多LabVIEW FPGA特性采用while循環(huán)和for循環(huán)編寫而成，這些循環(huán)并沒有對代碼、函數(shù)和其中所使用的VI作太多限制。然而，單周期定時循環(huán)可以運(yùn)用于一些要求更短周期時長的應(yīng)用。因此，如果可行的話，IP代碼模塊應(yīng)當(dāng)通過編寫使其可以運(yùn)用于一個單周期定時循環(huán)中。這將對IP代碼模塊內(nèi)的代碼施加一定的限制。然而，這些限制與前述討論定時獨(dú)立性的部分中所介紹的指導(dǎo)方針相似。

避免在您的IP代碼模塊中使用任何循環(huán)。
使用局部變量存儲您的IP代碼模塊的一次調(diào)用以及下一次調(diào)用的狀態(tài)信息。
避免在您的IP模塊中使用任何定時函數(shù)。
避免在您的IP代碼模塊中使用與單周期定時循環(huán)不兼容的函數(shù)，如商余函數(shù)。
一些應(yīng)用或許使用了一個IP代碼模塊的多個拷貝，該代碼模塊應(yīng)當(dāng)無縫支持這樣的操作。如果代碼模塊子VI使用了任何局部變量存儲狀態(tài)信息，那么該子VI應(yīng)當(dāng)設(shè)置為可重入。這樣將在編譯過程中創(chuàng)建多個FPGA之上的子VI的實(shí)例，每個實(shí)例都擁有其專用存儲空間用于存放狀態(tài)信息。

文檔、測試與范例
在IP代碼模塊開發(fā)過程中，文檔、測試和范例構(gòu)造也都應(yīng)當(dāng)成為開發(fā)過程中有意為之的一部分。其他不熟悉該代碼模塊的開發(fā)人員將在其自己的應(yīng)用中使用該代碼并且需要掌握關(guān)于如何正確使用該IP的信息。

作為實(shí)現(xiàn)的一部分，每個將為其他開發(fā)人員使用的子VI都應(yīng)當(dāng)包含有LabVIEW上下文幫助。當(dāng)幫助窗口打開并且鼠標(biāo)光標(biāo)懸浮于子VI上方時，該上下文幫助將顯示在LabVIEW中。該文檔應(yīng)當(dāng)包含關(guān)于VI操作/功能的一個基本描述，以及關(guān)于每個輸入輸出參數(shù)的基本描述。還應(yīng)當(dāng)注意任何其他關(guān)于子VI的編程限制或約束，如在單周期定時循環(huán)中的使用或塊存儲的利用率。關(guān)于VI及其參數(shù)的更詳細(xì)描述應(yīng)當(dāng)包含在一個單獨(dú)的用戶或參考手冊文檔中。

圖7：PWM發(fā)生器IP的上下文幫助范例

一旦完成了IP代碼模塊的基本實(shí)現(xiàn)，測試與范例構(gòu)造就成了開發(fā)過程中的下一個邏輯步驟。測試將確保該IP代碼模塊在各種不同的應(yīng)用中完成預(yù)期的操作。IP代碼模塊的測試應(yīng)當(dāng)仔細(xì)進(jìn)行，覆蓋不同的輸入值和不同的編程場景，而不是僅僅覆蓋最初所考慮的內(nèi)容。對于每個IP，應(yīng)當(dāng)完成多個實(shí)例的測試以及在不同編程結(jié)構(gòu)中的使用。

最終的IP代碼模塊應(yīng)當(dāng)包括一些基本范例和可能更高級的范例，以闡述該代碼模塊如何在應(yīng)用中使用。通常，對于圍繞某個特定的IP的一項(xiàng)應(yīng)用，這些范例將成為工作的起點(diǎn)。

圖8：展示PWM發(fā)生器IP的使用方法的VI范例

總結(jié)
如果創(chuàng)建的IP代碼模塊靈活且易于使用，那么LabVIEW FPGA IP代碼模塊可以在應(yīng)用開發(fā)中提供顯著的優(yōu)勢和節(jié)約。該文檔所介紹的指導(dǎo)方針將有助于確保IP可以方便地復(fù)用并無須為單個應(yīng)用進(jìn)行定制處理。

下面是在開發(fā)任何LabVIEW FPGA IP過程中應(yīng)當(dāng)遵循的指導(dǎo)方針的總結(jié)列表：

I/O資源不應(yīng)嵌入在IP代碼模塊的框圖中。
請勿在IP中使用項(xiàng)目引用的存儲器讀寫函數(shù)或FIFO讀寫函數(shù)。如可能，使用一個VI scoped存儲塊或FIFO（LabVIEW 8.20）。
文檔化表述IP中存儲器（存儲器拓展例程存儲塊、FIFO和查詢表等）的所有使用。在IP的分布中包含任何存儲器拓展例程存儲塊VI。
不要在IP中包含任何循環(huán)結(jié)構(gòu)或等待/循環(huán)定時器函數(shù)，除非這便是該IP的主要目標(biāo)。
在IP中使用局部變量存儲狀態(tài)信息。
文檔化表述IP的任何非正常的定時行為。