GLink交换芯片的GPIO与可编程时序接口功能

1.1 GPIO

GLink交换芯片支持16个双向GPIO，通过寄存器可控制GPIO的电平或读取GPIO的电平状态。上电复位完成默认为输入端口。

表1 GPIO相关寄存器

1.2 可编程时序接口

CLink交换芯片工作在交换机+配置节点或双交换机+配置节点模式时，支持一组4通道的可编程时序接口。可编程时序接口复用外部GPIO的高4位，可按照预先配置的指令集实现接口时序在线编程，产生SPI、I2C等常用接口时序，实现AD芯片采集或简单通信功能。

表2 GPIO工作模式选择寄存器

可编程时序接口由独立的接口引擎开展过程运算，包含指令集存储模块PRAM、数据存储模块DRAM、解码模块、执行模块和接口引擎，远程配置指令对各数据块进行初始化后，可触发接口引擎进行运算，按照预先配置的指令集逐行执行，调用工作寄存器、移位寄存器、等待等功能，读取或输出接口数据，实现需要的接口时序。

图1 可编程时序接口内部结构

例如，通过可编程时序接口控制I2C接口的某芯片，设置合理的指令集产生I2C协议下的起始信号、响应信号、停止信号等，可编程时序接口的接口引擎运行指令集后，调用DRAM中的数据通过移位寄存器按位串行输出，也可以将被控制芯片产生的串行数据通过移位寄存器记录在DRAM中，经多次数据交互得到多个有效数据。

1.2.1 PRAM与DRAM

可编程时序接口PRAM用于存储CPU运行的指令集，由配置NC写入，CPU运行时依次读出，PRAM的大小为2K Byte。

DRAM用于存储接口引擎运行需要和产生的数据，大小为2K Byte，前512字节可由配置NC写入，接口引擎可以操作整个2K字节空间。

PRAM和DRAM支持单独配置为单模/三模控制状态（寄存器地址0x200ebit1），三模控制下，芯片对3个配置NC发起的PRAM/DRAM写入数据进行三取二表决，根据表决结果写入。

1.2.2 指令集

可编程时序接口指令集共有9种指令类型，包含输出移位寄存器、输入移位寄存器、DRAM数据读取、计数器等功能，支持IF、LOOP等语句的调用和嵌套，可实现绝大部分的接口时序，详见附表四:可编程时序接口指令集。

接口引擎的运行时钟为芯片的系统时钟，4个的可编程时序接口分别为porta、portb、portc、portd，接口引擎的基础资源包含一个计数器、5个工作寄存器reg0~5、发送移位寄存器tx_shift_reg、接收移位寄存器rx_shift_reg，这些变量的值均可配置。接口引擎按照PRAM中的指令集逐行执行，单条指令由16bit组成，格式见。

表3 单条指令集格式

1.2.3 操作流程

图2 可编程时序接口典型操作流程

可编程时序接口操作流程如下:

1）控制源按照远程配置指令格式，将预先编辑好的指令集写入PRAM（地址0x8000~0x87ff）；

2） 控 制 源 将 接 口 运 行 需 要 的 数 据 写 入 数 据 存 储 区DRAM（ 地 址0x8800~0x89ff）；

3）如果需要从可编程时序接口采集数据，控制源对芯片可编程时序接口信号的滤波参数进行配置（地址0x4802）；

4）控制源对芯片发送触发控制指令（地址0x4801），指令集开始运行；

5）查询接口引擎运行状态（地址0x4040 bit0），等待接口引擎空闲；

6）配置NC读取DRAM中存储的数据。

1.2.4  ADS8509指令配置示例

ADS8509为一款常见的AD采样芯片，通过可编程时序接口，芯片可产生特定的接口时序与ADS8509进行通信。

图3 ADS8509控制时序

ADS8509的主要接口信号有R/C、BUSY、DATACLK、DATA，其中R/C、DATACLK为ADS8509的输入信号，BUSY、DATA为ADS8509的输出信号。

本例中使用可编程时序接口与ADS8509进行通信，porta与R/C连接、portb与DATACLK连接、portc与DATA连接，不使用BUSY信号，芯片运行的系统时钟为25MHz，时钟周期32ns。

控制源对芯片可编程时序接口PRAM中配置的指令见下表，可实现芯片控制ADS8509进行一次AD采样，并读取采样数据存入DRAM地址为0x10的空间。

表4 ADS8509配置示例

注:R/C端口实际低电平时间比设置的计时器数值0xa×32ns要大，因为指令集运行本身需要消耗一定的时间。

按照以上指令集运行产生的接口时序见图 6。其中t0为480ns，tw1为704ns，t2为1184ns，时钟周期为2240ns。采样点在时钟拉为高电平后448ns。

图4 ADS8509实际工作时序

1.2.5 时序计算方法

可编程时序接口的接口引擎工作时钟为系统时钟，即传输线速率的1/20。可编程时序接口收到触发控制指令后，延迟16个时钟周期开始工作。可编程时序接口每条指令的执行时间为5个时钟周期，每次数据变化延时一个时钟周期，特殊的计数器控制指令在指令执行完成后的（计数器设定值+2）个时钟周期后超时。

表5指令集执行周期

以如下 6 个示例介绍可编程时序接口的周期控制：

1）IO 输出示例；

2）带有计数器控制的示例；

3）带有 IF 指令的示例；

4）带有 LOOP 指令的示例；

5）带有 LOOP QUIT 指令的示例；

6）移位寄存器映射至输出端口的示例。

（1）常规示例：

指令集：

表6 常规示例

解释：

a.porta端口在指令执行后的16（15+1）个周期后输出1；

b.porta端口在指令执行后的21（20+1）个周期后输出0；

c.porta端口的高电平时间为5个时钟周期。

（2）带有计数器控制的示例

指令集：

表7 带有计数器控制的示例

解释：

a.porta端口在指令执行后的16（15+1）个周期后输出1；

b.porta端口在指令执行后的36（25+10+1）个周期后输出0；

c.该指令集累计周期数为40个时钟周期，其中等待超时指令的执行时间包含在超时时间内，超时时间的周期数为计数器设定值+2，即8+2=10。

（3）带有IF指令的示例

指令集：

表8 带有IF指令的示例

解释：

a.IF指令无论条件是否成立均被执行，即序号1-8均占用cpu执行时间且为串行执行；

b.上述指令集中reg[1]等于3，序号4指令生效，序号6指令无效，即最终reg[1]=4。

（4）带有LOOP指令的示例

指令集：

表9 带有LOOP指令的示例

解释：

a.当执行到loop end语句后跳转到loop begin的下一句执行；

b.porta分别在第16、31、46、...个周期变为高电平；

c.由于无退出循环条件，故序号6指令无法执行。

（5）带有LOOP QUIT指令的示例

指令集：

表10 带有LOOP QUIT指令的示例

解释：

a.当loop quit语句执行后不会直接跳转到loop end的下一条指令，而是顺序执行指令，但指令不生效。以上述指令集为例，执行完毕后reg[1]等于1而非0。

（6）移位寄存器映射至输出端口的示例

指令集：

表11 移位寄存器映射至输出端口的示例

解释：

a.tx_shift_reg在第21个周期变为0xFFFF；

b.porta在第22个周期输出1。