【数集项目之 MCDF】(四) 整形器 formatter

根据上一章的arbiter结构图，结合设计文档中MCDF的整体结构图，可以发现formatter整形器模块是arbiter的上级，负责最终的数据输出，与外界数据接收端相连。

第一节 `fromatter`文档理解

设计文档formatter的部分时序介绍如下

如图所示。整形器按照数据包的形式发送数据。数据包的长度可以是4、8、16和32。整形器必须完整的发送某一个通道的数据包后，才可以准备发送下一个数据包。在发送数据包期间，fmt_chid和fmt_length应保持不变，直到数据包发送结束。

整形器准备发送数据包时，先将fmt_req置高，等待接收端的fmt_grant信号。当fmt_grant信号变为高时，则在下一个周期将：
（1） fmt_req置低
（2） fmt_start输出一个时钟周期的高电平脉冲
（3） fmt_data开始送出第一个数据
数据开始发送后应连接发送，中间不允许有空闲周期，直到发送完所有数据。在发送最后一个数据时，fmt_end信号应置高并保持一个时钟周期。
相邻的数据包之间应至少有一个时钟周期的空闲，即fmt_end变为低电平后，至少经过一个时钟周期fmt_req才可以再次置高。

根据文档描述，我们可以设计以下握手流程。

formatter握手时序关系

当前发送任务完毕时,

先朝下级看，看arbiter有没有发送请求，跟arbiter握手

formatter发送结束之后，就将询问信号fmt_id_req置高。如图所示

在fmt_start和fmt_end之间表示正在发送的时候，fmt_id_req_o为高，表示当前formatter空闲。(当然了，这里空出了一个时钟周期，其实也可以不空。因为设计文档说相邻数据包之间间隔至少1个时钟周期，而上下级握手是需要时间的，因此不需要再额外空出一个周期。)

回顾上一章的结构图，fmt_id_req_o是和仲裁信号产生部分相连，当clk_i上升沿到来时发现fmt_id_req_o为1，就会刷新当前综合优先级最高的通道并选通。如下图所示，当fmt_id_req_o为1的下一个周期就会刷新并选通最优先的通道。(必须是就绪的，有包可以发送的)。
当然这一块也有可以改进的地方，就是fmt_id_req_o信号下降沿可以提早一个周期结束，以防止数据发送时优先级突变。不过这里因为假想优先级是一开始在寄存器中设定好的，不考虑数据传输时优先级突然改变的情况。因此仍然保留原来的设计。

arbiter刷新优先级选通相应通道（也可能所有通道都没就绪，就选通空通道）可以根据arbiter输入的优先通道信号来知道有没有就绪，如果时11空通道就表示没用就绪（这是一个隐藏的握手信号，arbiter向formatter握手表示是否准备发送）

因此置高完fmt_id_req就等待有效通道不是11就行了（这里注意信号不要重叠，先让优先级刷新完再判断，因为fmt_id_req过一个周期才是刷新后的通道，所以判断需要等待一个周期再判断）

不是11代表arbiter就绪，可以发送。这时候已经自动选通了，相当于直连slave，因此slave就等待一个ack信号就可以发送了。现在下级已经就绪，我们通过不是11就向上握手,等待上级进行允许发送。当有效通道不是11，则fmt_req置高，否则继续等待直到不是11.

再朝上级看，formatter等待外部传入允许发送的信号grant

fmt_req置高之后，等待外部允许发送信号fmt_grant,当fmt_grant（为高时，在下一个周期
置低fmt_req
fmt_start输出一个时钟周期的高电平脉冲
fmt_data开始送出第一个数据

[注意]：这里有严格的时序关系，就是grant为高的下个时钟周期就要开始发送第一个数据了，这就要求grant直连的信号slave的ack也满足这样的时序关系，具体而言就是要求slave中的数据在ack之后下一个时钟周期就要发送，valid信号同理
具体做法就是采用了一些简单的波形变换（因为之前的设计还没有涉及到握手时序，波形不满足，所以我又修改了一下，现在slave中波形就满足了时序关系，如下图黄色波形所示）

end信号我们在slave中已经产生过了，只需要直接连接过来，通过多路选择器选通即可

握手结束，等待数据发送完毕

然后再fmt_id_req置高开始下一次循环

第二节 `fromatter`代码实现

文件名:formatter.v
具体注释详见代码

/***************<MCDF 整形器 formatter>*********************/
`timescale 1ns/100ps
/***************<端口声明>*********************/
module formatter
(input   wire            clk_i,rstn_i,input   wire            a2f_val_i,//!!!这个信号没用到，检查是否可以去除input   wire    [1:0]   a2f_id_i,input   wire    [31:0]  a2f_data_i,input   wire    [2:0]   a2f_pkglen_sel_i,input   wire            fmt_grant_i,input   wire            a2f_end_i,//增加的信号，在arbiter中判断end更方便output  wire            f2a_ack_o,output  reg             fmt_id_req_o,output  wire    [1:0]   fmt_child_o,output  reg     [5:0]   fmt_length_o,output  wire            fmt_req_o,output  wire    [31:0]  fmt_data_o,output  reg             fmt_start_o,output  wire            fmt_end_o);
/***************<中间信号>*********************/
reg fmt_end_d1;//end信号时延一个周期
reg fmt_id_req_o_d1;//fmt_id_req_o信号延迟一个周期,用于波形变换，使得fmt_req上升沿延后
/***************<时序电路>*********************/
//fmt_id_req_o信号延迟一个周期
always @(posedge clk_i or negedge rstn_i) beginif(~rstn_i)fmt_id_req_o_d1<=0;elsefmt_id_req_o_d1<=fmt_id_req_o;
end
// >>>fmt_end_d1用于产生fmt_id_req_o,并保证两次发送之间的时隙
//end信号时延一个周期
always @(posedge clk_i or negedge rstn_i) beginif(~rstn_i)fmt_end_d1<=0;elsefmt_end_d1<=fmt_end_o;
end
// >>>fmt_id_req_o<<<
//1产生向下握手信号 fmt_id_req_o，等待优先通道不为11
always @(posedge clk_i or negedge rstn_i) beginif(~rstn_i)beginfmt_id_req_o<=1;//复位时没有发送占用，因此可以向下级握手endelse if(fmt_end_d1)begin//因为end和start并不会重合，所以谁先谁后判断不影响fmt_id_req_o<=1;endelse if(fmt_grant_i)beginfmt_id_req_o<=0;endelsefmt_id_req_o<=fmt_id_req_o;
end
// >>> fmt_start_o 是f2a_ack_o延迟一个周期
always @(posedge clk_i or negedge rstn_i) beginif(~rstn_i)fmt_start_o<=0;elsefmt_start_o<=f2a_ack_o;
end
/***************<组合电路>*********************/
// >>>fmt_req_o<<<
//等待优先通道不为11，产生 fmt_req_o,表示下级就绪,当出现 fmt_grant_i 时再置低
//采用 波形变换 方式实现 优先通道不为11&fmt_id_req_o,参考时序参考图
assign  fmt_req_o=fmt_id_req_o & (a2f_id_i!=2'b11) & fmt_id_req_o_d1;
//波形变换，ack信号，在通道联通后，直送给slave
assign  f2a_ack_o=fmt_grant_i & fmt_req_o;
//一些直连信号
assign  fmt_end_o=a2f_end_i;//直连arbiter中的end信号（这个信号是另加的，因为arbiter中判断end更容易）
assign  fmt_data_o=a2f_data_i;
assign  fmt_child_o=a2f_id_i;
always @(*) begin//数据包长度译码（在slave_FIFO里面时用求幂实现）case(a2f_pkglen_sel_i) 3'b000:fmt_length_o<=6'd4;3'b001:fmt_length_o<=6'd8;3'b010:fmt_length_o<=6'd16;3'b011:fmt_length_o<=6'd32;default: fmt_length_o<=6'd32;endcase
endendmodule

第三节 `fromatter`testbench代码实现

文件名:formatter_tb.v
具体注释详见代码

`timescale 1ns/100ps
`include "formatter.v"
/*************************<端口声明>*********************/
module formatter_tb;
reg             clk_i;
reg             rstn_i;
reg             a2f_val_i;
reg     [1:0]   a2f_id_i;
reg     [31:0]  a2f_data_i;
reg     [2:0]   a2f_pkglen_sel_i;
reg             fmt_grant_i;
reg             a2f_end_i;          //增加的wire            f2a_ack_o;
wire            fmt_id_req_o;
wire    [1:0]   fmt_child_o;
wire    [5:0]   fmt_length_o;
wire            fmt_req_o;
wire    [31:0]  fmt_data_o;
wire            fmt_start_o;
wire            fmt_end_o;
/*************************<实例化>*********************/
formatter fm1(clk_i,rstn_i,a2f_val_i,a2f_id_i,a2f_data_i,a2f_pkglen_sel_i,fmt_grant_i,a2f_end_i,       f2a_ack_o,fmt_id_req_o,fmt_child_o,fmt_length_o,fmt_req_o,fmt_data_o,fmt_start_o,fmt_end_o
);
/*************************<信号产生>*********************/
initial beginclk_i<=0;rstn_i<=0;a2f_val_i<=0;           //这个信号没用到a2f_id_i<=2'b11;         //接通的通道a2f_data_i<=$random;    //接通通道的数据a2f_pkglen_sel_i<=0;    //与a2f_id_i同步变化fmt_grant_i<=0;a2f_end_i<=0;  $dumpfile("formatter.vcd");$dumpvars;
#15     rstn_i<=1;
#40
@(posedge clk_i)    a2f_id_i<=2'b00;
#30
@(posedge clk_i)    fmt_grant_i<=1;
@(posedge clk_i)    fmt_grant_i<=1;
@(posedge clk_i)    fmt_grant_i<=0;
@(posedge clk_i)    fmt_grant_i<=0;
@(posedge clk_i)    a2f_end_i<=1;
@(posedge clk_i)    a2f_end_i<=0;
#500    $finish;
end
always @(posedge clk_i) begina2f_data_i<=$random;
end
always #10 clk_i<=~clk_i;
always @(*) begin//模拟arbiter中的信号同步case(a2f_id_i)2'b00:a2f_pkglen_sel_i<=3'b000;2'b01:a2f_pkglen_sel_i<=3'b001;2'b10:a2f_pkglen_sel_i<=3'b010;2'b11:a2f_pkglen_sel_i<=3'b000;endcase
end
endmodule

仿真结果如下，同样地，因为涉及到上下级时序配合，因此此处也省略波形分析，将在最后的MCDF顶层仿真中进行详细分析。

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