FC2カウンター FPGAの部屋 ZedBoard用CMOSカメラ回路の作製3(HDLソースの公開2)

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ZedBoard用CMOSカメラ回路の作製3(HDLソースの公開2)

ZedBoard用CMOSカメラ回路の作製2(HDLソースの公開1)”の続き。
今度は、テストベンチとMT9D111のモデルのVerilog ソースを貼っておく。勿論、無保証です。

最初にテストベンチ、mt9d111_inf_axi_master_tb.v から。

`default_nettype none

`timescale 100ps / 1ps

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Company: 
// Engineer:
//
// Create Date:   09:51:18 12/31/2012
// Design Name:   mt9d111_inf_axi_master
// Module Name:   K:/HDL/FndtnISEWork/Zynq-7000/ZedBoard/ZedBoard_CamDisp_wHDMI_144/mt9d111_inf_axi_master/mt9d111_inf_axi_master_tb.v
// Project Name:  mt9d111_inf_axi_master
// Target Device:  
// Tool versions:  
// Description: 
//
// Verilog Test Fixture created by ISE for module: mt9d111_inf_axi_master
//
// Dependencies:
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

module mt9d111_inf_axi_master_tb;

    // Inputs
    wire ACLK;
    wire ARESETN;
    wire M_AXI_AWREADY;
    wire M_AXI_WREADY;
    wire [0:0] M_AXI_BID;
    wire [1:0] M_AXI_BRESP;
    wire [0:0] M_AXI_BUSER;
    wire M_AXI_BVALID;
    wire M_AXI_ARREADY;
    wire [0:0] M_AXI_RID;
    wire [63:0] M_AXI_RDATA;
    wire [1:0] M_AXI_RRESP;
    wire M_AXI_RLAST;
    wire [0:0] M_AXI_RUSER;
    wire M_AXI_RVALID;
    wire init_done;
    wire pclk_from_pll;
    wire pclk;
    wire href;
    wire vsync;
    wire [7:0] cam_data;

    // Outputs
    wire [0:0] M_AXI_AWID;
    wire [31:0] M_AXI_AWADDR;
    wire [7:0] M_AXI_AWLEN;
    wire [2:0] M_AXI_AWSIZE;
    wire [1:0] M_AXI_AWBURST;
    wire M_AXI_AWLOCK;
    wire [3:0] M_AXI_AWCACHE;
    wire [2:0] M_AXI_AWPROT;
    wire [3:0] M_AXI_AWQOS;
    wire [0:0] M_AXI_AWUSER;
    wire M_AXI_AWVALID;
    wire [63:0] M_AXI_WDATA;
    wire [7:0] M_AXI_WSTRB;
    wire M_AXI_WLAST;
    wire [0:0] M_AXI_WUSER;
    wire M_AXI_WVALID;
    wire M_AXI_BREADY;
    wire [0:0] M_AXI_ARID;
    wire [31:0] M_AXI_ARADDR;
    wire [7:0] M_AXI_ARLEN;
    wire [2:0] M_AXI_ARSIZE;
    wire [1:0] M_AXI_ARBURST;
    wire [1:0] M_AXI_ARLOCK;
    wire [3:0] M_AXI_ARCACHE;
    wire [2:0] M_AXI_ARPROT;
    wire [3:0] M_AXI_ARQOS;
    wire [0:0] M_AXI_ARUSER;
    wire M_AXI_ARVALID;
    wire M_AXI_RREADY;
    wire wr_error;
    wire xck;
    wire standby;
    wire pfifo_overflow;
    wire pfifo_underflow;

    // Instantiate the Unit Under Test (UUT)
    mt9d111_inf_axi_master uut (
        .ACLK(ACLK), 
        .ARESETN(ARESETN), 
        .M_AXI_AWID(M_AXI_AWID), 
        .M_AXI_AWADDR(M_AXI_AWADDR), 
        .M_AXI_AWLEN(M_AXI_AWLEN), 
        .M_AXI_AWSIZE(M_AXI_AWSIZE), 
        .M_AXI_AWBURST(M_AXI_AWBURST), 
        .M_AXI_AWLOCK(M_AXI_AWLOCK), 
        .M_AXI_AWCACHE(M_AXI_AWCACHE), 
        .M_AXI_AWPROT(M_AXI_AWPROT), 
        .M_AXI_AWQOS(M_AXI_AWQOS), 
        .M_AXI_AWUSER(M_AXI_AWUSER), 
        .M_AXI_AWVALID(M_AXI_AWVALID), 
        .M_AXI_AWREADY(M_AXI_AWREADY), 
        .M_AXI_WDATA(M_AXI_WDATA), 
        .M_AXI_WSTRB(M_AXI_WSTRB), 
        .M_AXI_WLAST(M_AXI_WLAST), 
        .M_AXI_WUSER(M_AXI_WUSER), 
        .M_AXI_WVALID(M_AXI_WVALID), 
        .M_AXI_WREADY(M_AXI_WREADY), 
        .M_AXI_BID(M_AXI_BID), 
        .M_AXI_BRESP(M_AXI_BRESP), 
        .M_AXI_BUSER(M_AXI_BUSER), 
        .M_AXI_BVALID(M_AXI_BVALID), 
        .M_AXI_BREADY(M_AXI_BREADY), 
        .M_AXI_ARID(M_AXI_ARID), 
        .M_AXI_ARADDR(M_AXI_ARADDR), 
        .M_AXI_ARLEN(M_AXI_ARLEN), 
        .M_AXI_ARSIZE(M_AXI_ARSIZE), 
        .M_AXI_ARBURST(M_AXI_ARBURST), 
        .M_AXI_ARLOCK(M_AXI_ARLOCK), 
        .M_AXI_ARCACHE(M_AXI_ARCACHE), 
        .M_AXI_ARPROT(M_AXI_ARPROT), 
        .M_AXI_ARQOS(M_AXI_ARQOS), 
        .M_AXI_ARUSER(M_AXI_ARUSER), 
        .M_AXI_ARVALID(M_AXI_ARVALID), 
        .M_AXI_ARREADY(M_AXI_ARREADY), 
        .M_AXI_RID(M_AXI_RID), 
        .M_AXI_RDATA(M_AXI_RDATA), 
        .M_AXI_RRESP(M_AXI_RRESP), 
        .M_AXI_RLAST(M_AXI_RLAST), 
        .M_AXI_RUSER(M_AXI_RUSER), 
        .M_AXI_RVALID(M_AXI_RVALID), 
        .M_AXI_RREADY(M_AXI_RREADY), 
        .init_done(init_done), 
        .wr_error(wr_error), 
        .pclk_from_pll(pclk_from_pll), 
        .pclk(pclk), 
        .xck(xck), 
        .href(href), 
        .vsync(vsync), 
        .cam_data(cam_data), 
        .standby(standby), 
        .pfifo_overflow(pfifo_overflow), 
        .pfifo_underflow(pfifo_underflow)
    );
    
    assign init_done = 1'b1;

    // ACLK のインスタンス
    clk_gen #(
        .CLK_PERIOD(100),    // 10nsec, 100MHz
        .CLK_DUTY_CYCLE(0.5),
        .CLK_OFFSET(0),
        .START_STATE(1'b0)
    ) ACLKi (
        .clk_out(ACLK)
    );
    
    // pclk_from_pll のインスタンス
    clk_gen #(
        .CLK_PERIOD(278),    // 27.8nsec, 約36MHz
        .CLK_DUTY_CYCLE(0.5),
        .CLK_OFFSET(0),
        .START_STATE(1'b0)
    ) pclk_from_pll_i (
        .clk_out(pclk_from_pll)
    );
    
    // reset_gen のインスタンス
    reset_gen #(
        .RESET_STATE(1'b0),
        .RESET_TIME(1000)    // 100nsec
    ) RESETi (
        .reset_out(ARESETN)
    );
    
    // MT9D111 モデル
    mt9d111_model #(
        .HORIZONTAL_PIXELS(800),
        .VERTICAL_LINES(600),
        .HBLANK_REG(174),
        .VBLANK_REG(16),
        .PCLK_DELAY(1)
    ) mt9d111_model_i (
        .xck(xck),
        .pclk(pclk),
        .href(href),
        .vsync(vsync),
        .d(cam_data),
        .scl(1'b1),
        .sda(),
        .standby(standby)
    );

    // Instantiate the Unit Under Test (UUT_slave)
    axi_slave_bfm #(
        .C_M_AXI_DATA_WIDTH(64)
    ) uut_slave (
        .ACLK(ACLK), 
        .ARESETN(ARESETN), 
        .M_AXI_AWID(M_AXI_AWID), 
        .M_AXI_AWADDR(M_AXI_AWADDR), 
        .M_AXI_AWLEN(M_AXI_AWLEN), 
        .M_AXI_AWSIZE(M_AXI_AWSIZE), 
        .M_AXI_AWBURST(M_AXI_AWBURST), 
        .M_AXI_AWLOCK(M_AXI_AWLOCK), 
        .M_AXI_AWCACHE(M_AXI_AWCACHE), 
        .M_AXI_AWPROT(M_AXI_AWPROT), 
        .M_AXI_AWQOS(M_AXI_AWQOS), 
        .M_AXI_AWUSER(M_AXI_AWUSER), 
        .M_AXI_AWVALID(M_AXI_AWVALID), 
        .M_AXI_AWREADY(M_AXI_AWREADY), 
        .M_AXI_WDATA(M_AXI_WDATA), 
        .M_AXI_WSTRB(M_AXI_WSTRB), 
        .M_AXI_WLAST(M_AXI_WLAST), 
        .M_AXI_WUSER(M_AXI_WUSER), 
        .M_AXI_WVALID(M_AXI_WVALID), 
        .M_AXI_WREADY(M_AXI_WREADY), 
        .M_AXI_BID(M_AXI_BID), 
        .M_AXI_BRESP(M_AXI_BRESP), 
        .M_AXI_BUSER(M_AXI_BUSER), 
        .M_AXI_BVALID(M_AXI_BVALID), 
        .M_AXI_BREADY(M_AXI_BREADY), 
        .M_AXI_ARID(M_AXI_ARID), 
        .M_AXI_ARADDR(M_AXI_ARADDR), 
        .M_AXI_ARLEN(M_AXI_ARLEN), 
        .M_AXI_ARSIZE(M_AXI_ARSIZE), 
        .M_AXI_ARBURST(M_AXI_ARBURST), 
        .M_AXI_ARLOCK(M_AXI_ARLOCK), 
        .M_AXI_ARCACHE(M_AXI_ARCACHE), 
        .M_AXI_ARPROT(M_AXI_ARPROT), 
        .M_AXI_ARQOS(M_AXI_ARQOS), 
        .M_AXI_ARUSER(M_AXI_ARUSER), 
        .M_AXI_ARVALID(M_AXI_ARVALID), 
        .M_AXI_ARREADY(M_AXI_ARREADY), 
        .M_AXI_RID(M_AXI_RID), 
        .M_AXI_RDATA(M_AXI_RDATA), 
        .M_AXI_RRESP(M_AXI_RRESP), 
        .M_AXI_RLAST(M_AXI_RLAST), 
        .M_AXI_RUSER(M_AXI_RUSER), 
        .M_AXI_RVALID(M_AXI_RVALID), 
        .M_AXI_RREADY(M_AXI_RREADY)
    );
      
endmodule

module clk_gen #(
    parameter         CLK_PERIOD = 100,
    parameter real    CLK_DUTY_CYCLE = 0.5,
    parameter        CLK_OFFSET = 0,
    parameter        START_STATE    = 1'b0 )
(
    output    reg        clk_out
);
    begin
        initial begin
            #CLK_OFFSET;
            forever
            begin
                clk_out = START_STATE;
                #(CLK_PERIOD-(CLK_PERIOD*CLK_DUTY_CYCLE)) clk_out = ~START_STATE;
                #(CLK_PERIOD*CLK_DUTY_CYCLE);
            end
        end
    end
endmodule

module reset_gen #(
    parameter    RESET_STATE = 1'b1,
    parameter    RESET_TIME = 100 )
(
    output    reg        reset_out
);
    begin
        initial begin
            reset_out = RESET_STATE;
            #RESET_TIME;
            reset_out = ~RESET_STATE;
        end
    end
endmodule

`default_nettype wire


次に、mt9d111_model.v を貼っておく。RGBのデータにはM系列の疑似乱数を使用している。(2013/08/27:修正)

// mt9d111_model.v 
// mt9d111 の動作モデル
// RGB565 を出力

`default_nettype none
`timescale 1ns / 1ps

module mt9d111_model # (
    parameter    integer HORIZONTAL_PIXELS    = 800,
    parameter    integer    VERTICAL_LINES        = 600,
    parameter    integer    HBLANK_REG            = 174,     // pixels
    parameter    integer    VBLANK_REG            = 16,    // rows
    parameter    integer    PCLK_DELAY            = 1
)(
    input    wire    xck,
    output    reg        pclk = 1'b1,
    output    reg        href = 1'b0,
    output    reg        vsync = 1'b1,
    output    reg        [7:0]    d = 8'd0,
    input    wire    scl,
    inout    wire    sda,
    input    wire    standby
);

    parameter    [2:0]    FRAME_START_BLANKING =    3'b000,
                        ACTIVE_DATA_TIME =        3'b001,
                        HORIZONTAL_BLANKING =    3'b011,
                        FRAME_END_BLANKING =    3'b010,
                        VERTICAL_BLANKING =        3'b110;
                        
    reg        [2:0]    mt9d111_cs = FRAME_START_BLANKING;
    reg        [2:0]    fseb_count = 3'd5;
    reg        [15:0]    adt_count = (HORIZONTAL_PIXELS * 2) - 1;
    reg        [15:0]    hb_count = HBLANK_REG - 1;
    reg        [15:0]    fvt_count = VERTICAL_LINES - 1;
    reg        [31:0]    vb_count = VBLANK_REG * (HORIZONTAL_PIXELS + HBLANK_REG) - 1;
    reg        href_node = 1'b0;
    reg        vsync_node = 1'b1;
    reg        dout_is_even = 1'b0;

    // R, G, B 毎に違った生成多項式のM系列を用意した
    function [7:0] mseqf8_R (input [7:0] din);
        reg xor_result;
        begin
            xor_result = din[7] ^ din[3] ^ din[2] ^ din[1];
            mseqf8_R = {din[6:0], xor_result};
        end
    endfunction
    
    function [7:0] mseqf8_G (input [7:0] din);
        reg xor_result;
        begin
            xor_result = din[7] ^ din[4] ^ din[2] ^ din[0];
            mseqf8_G = {din[6:0], xor_result};
        end
    endfunction

    function [7:0] mseqf8_B (input [7:0] din);
        reg xor_result;
        begin
            xor_result = din[7] ^ din[5] ^ din[2] ^ din[1];
            mseqf8_B = {din[6:0], xor_result};
        end
    endfunction

    reg        [7:0]    mseq8r = 8'd1;
    reg        [7:0]    mseq8g = 8'd1;
    reg        [7:0]    mseq8b = 8'd1;
    
    // pclk の出力
    always @*
        pclk <= #PCLK_DELAY    xck;
        
    // MT9D111 のステート
    always @(posedge pclk) begin
        case (mt9d111_cs)
            FRAME_START_BLANKING : begin
                if (fseb_count==0) begin
                    mt9d111_cs <= ACTIVE_DATA_TIME;
                    href_node <= 1'b1;
                end
            end
            ACTIVE_DATA_TIME : begin
                if (adt_count==0) begin
                    if (fvt_count==0)    // frame end
                        mt9d111_cs <= FRAME_END_BLANKING;
                    else
                        mt9d111_cs <= HORIZONTAL_BLANKING;
                    href_node <= 1'b0;
                end
            end
            HORIZONTAL_BLANKING : begin
                if (hb_count==0) begin
                    mt9d111_cs <= ACTIVE_DATA_TIME;
                    href_node <= 1'b1;
                end
            end
            FRAME_END_BLANKING : begin
                if (fseb_count==0) begin
                    mt9d111_cs <= VERTICAL_BLANKING;
                    vsync_node <= 1'b0;
                end
            end
            VERTICAL_BLANKING : begin
                if (vb_count==0) begin
                    mt9d111_cs <= FRAME_START_BLANKING;
                    vsync_node <= 1'b1;
                end
            end
        endcase
    end
                
    // vsync, href 出力、レーシングを防ぐためにpclk よりも出力を遅らせる
    always @* begin
        vsync <= #1    vsync_node;
        href <= #1    href_node;
    end
    
    // Frame Start/End Blanking Counter (6 pixel clocks)
    always @(posedge pclk) begin
        if (mt9d111_cs==FRAME_START_BLANKING || mt9d111_cs==FRAME_END_BLANKING) begin
            if (fseb_count > 0)
                fseb_count <= fseb_count - 3'd1;
        end else
            fseb_count <= 3'd5;
    end
    
    // Active Data Time Counter
    always @(posedge pclk) begin
        if (mt9d111_cs==ACTIVE_DATA_TIME) begin
            if (adt_count > 0)
                adt_count <= adt_count - 16'd1;
        end else
            adt_count <= (HORIZONTAL_PIXELS * 2) - 1;
    end
    
    // Horizontal Blanking Counter
    always @(posedge pclk) begin
        if (mt9d111_cs==HORIZONTAL_BLANKING) begin
            if (hb_count > 0)
                hb_count <= hb_count - 16'd1;
        end else
            hb_count <= HBLANK_REG - 1;
    end
    
    // Frame Valid Time Counter
    always @(posedge pclk) begin
        if (mt9d111_cs==ACTIVE_DATA_TIME && adt_count==0) begin
            if (fvt_count > 0)
                fvt_count <= fvt_count - 16'd1;
        end if (mt9d111_cs == VERTICAL_BLANKING)
            fvt_count <= VERTICAL_LINES - 1;
    end
    
    // Vertical Blanking Counter
    always @(posedge pclk) begin
        if (mt9d111_cs==VERTICAL_BLANKING) begin
            if (vb_count > 0)
                vb_count <= vb_count - 32'd1;
        end else
            vb_count <= VBLANK_REG * (HORIZONTAL_PIXELS + HBLANK_REG) - 1;
    end
    
    // Red のM系列符号生成
    always @(posedge pclk) begin
        // if (mt9d111_cs==ACTIVE_DATA_TIME)
            mseq8r <= mseqf8_R(mseq8r);
    end
    
    // Green のM系列符号生成
    always @(posedge pclk) begin
        // if (mt9d111_cs==ACTIVE_DATA_TIME)
            mseq8g <= mseqf8_G(mseq8g);
    end
    
    // Blue のM系列符号生成
    always @(posedge pclk) begin
        // if (mt9d111_cs==ACTIVE_DATA_TIME)
            mseq8b <= mseqf8_B(mseq8b);
    end
    
    // d 出力のODD とEVEN を示す
    always @(posedge pclk) begin
        if (mt9d111_cs==ACTIVE_DATA_TIME)
            dout_is_even <= ~dout_is_even;
        else
            dout_is_even <= 1'b0;
    end
    
    // d 出力、レーシングを防ぐためにpclk よりも出力を遅らせる
    always @(posedge pclk) begin
        if (mt9d111_cs==ACTIVE_DATA_TIME) begin
            if (dout_is_even)
                d <= #1 {mseq8g[4:2], mseq8b[7:3]};
            else
                d <= #1 {mseq8r[7:3], mseq8g[7:5]};
        end
    end

endmodule

`default_nettype wire


AXI Master用 AXI Slave Bus Function Mode (BFM)も貼っておく。(2013/01/23:修正)

-----------------------------------------------------------------------------
--
-- AXI Master用 AXI Slave Bus Function Mode (BFM)
--
-----------------------------------------------------------------------------
-- 2012/02/25 : M_AXI_AWBURST=1 (INCR) にのみ対応、AWSIZE, ARSIZE = 000 (1byte), 001 (2bytes), 010 (4bytes) のみ対応。
-- 2012/01/15 : BVALID が1になる間隔をランダム変更できるようにした。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;
use ieee.std_logic_misc.all;

package m_seq_bfm_pack is
    function M_SEQ16_BFM_F(mseq16in : std_logic_vector
        )return std_logic_vector;
end package m_seq_bfm_pack;
package body m_seq_bfm_pack is
    function M_SEQ16_BFM_F(mseq16in : std_logic_vector
        )return std_logic_vector is
            variable mseq16 : std_logic_vector(15 downto 0);
            variable xor_result : std_logic;
    begin
        xor_result := mseq16in(15) xor mseq16in(12) xor mseq16in(10) xor mseq16in(8) xor mseq16in(7) xor mseq16in(6) xor mseq16in(3) xor mseq16in(2);
        mseq16 := mseq16in(14 downto 0) & xor_result;
        return mseq16;
    end M_SEQ16_BFM_F;
end m_seq_bfm_pack;


library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use IEEE.math_real.all;

library work;
use work.m_seq_bfm_pack.all;

--library unisim;
--use unisim.vcomponents.all;

entity axi_slave_bfm is
  generic (
    C_M_AXI_ID_WIDTH     : integer := 1;
    C_M_AXI_ADDR_WIDTH   : integer := 32;
    C_M_AXI_DATA_WIDTH   : integer := 32;
    C_M_AXI_AWUSER_WIDTH : integer := 1;
    C_M_AXI_ARUSER_WIDTH : integer := 1;
    C_M_AXI_WUSER_WIDTH  : integer := 1;
    C_M_AXI_RUSER_WIDTH  : integer := 1;
    C_M_AXI_BUSER_WIDTH  : integer := 1;
    
    C_M_AXI_TARGET        : integer := 0;
    C_OFFSET_WIDTH        : integer := 10; -- 割り当てるRAMのアドレスのビット幅
    C_M_AXI_BURST_LEN    : integer := 256;
    
    WRITE_RANDOM_WAIT    : integer := 1; -- Write Transaction のデータ転送の時にランダムなWaitを発生させる=1, Waitしない=0
    WR_BVALID_RANDOM_WAIT    : integer := 1; -- Write Transaction の時のM_AXI_BVALID をランダムにWaitする=1, Waitしない=0
    READ_RANDOM_WAIT    : integer := 0 -- Read Transaction のデータ転送の時にランダムなWaitを発生させる=1, Waitしない=0
    );
  port(
    -- System Signals
    ACLK    : in std_logic;
    ARESETN : in std_logic;

    -- Master Interface Write Address Ports
    M_AXI_AWID     : in  std_logic_vector(C_M_AXI_ID_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_AWADDR   : in  std_logic_vector(C_M_AXI_ADDR_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_AWLEN    : in  std_logic_vector(8-1 downto 0);
    M_AXI_AWSIZE   : in  std_logic_vector(3-1 downto 0);
    M_AXI_AWBURST  : in  std_logic_vector(2-1 downto 0);
    -- M_AXI_AWLOCK   : in  std_logic_vector(2-1 downto 0);
    M_AXI_AWLOCK   : in  std_logic;
    M_AXI_AWCACHE  : in  std_logic_vector(4-1 downto 0);
    M_AXI_AWPROT   : in  std_logic_vector(3-1 downto 0);
    M_AXI_AWQOS    : in  std_logic_vector(4-1 downto 0);
    M_AXI_AWUSER   : in  std_logic_vector(C_M_AXI_AWUSER_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_AWVALID  : in  std_logic;
    M_AXI_AWREADY  : out std_logic;

    -- Master Interface Write Data Ports
    M_AXI_WDATA  : in  std_logic_vector(C_M_AXI_DATA_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_WSTRB  : in  std_logic_vector(C_M_AXI_DATA_WIDTH/8-1 downto 0);
    M_AXI_WLAST  : in  std_logic;
    M_AXI_WUSER  : in  std_logic_vector(C_M_AXI_WUSER_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_WVALID : in  std_logic;
    M_AXI_WREADY : out std_logic;

    -- Master Interface Write Response Ports
    M_AXI_BID    : out std_logic_vector(C_M_AXI_ID_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_BRESP  : out std_logic_vector(2-1 downto 0);
    M_AXI_BUSER  : out std_logic_vector(C_M_AXI_BUSER_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_BVALID : out std_logic;
    M_AXI_BREADY : in  std_logic;

    -- Master Interface Read Address Ports
    M_AXI_ARID     : in  std_logic_vector(C_M_AXI_ID_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_ARADDR   : in  std_logic_vector(C_M_AXI_ADDR_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_ARLEN    : in  std_logic_vector(8-1 downto 0);
    M_AXI_ARSIZE   : in  std_logic_vector(3-1 downto 0);
    M_AXI_ARBURST  : in  std_logic_vector(2-1 downto 0);
    M_AXI_ARLOCK   : in  std_logic_vector(2-1 downto 0);
    M_AXI_ARCACHE  : in  std_logic_vector(4-1 downto 0);
    M_AXI_ARPROT   : in  std_logic_vector(3-1 downto 0);
    M_AXI_ARQOS    : in  std_logic_vector(4-1 downto 0);
    M_AXI_ARUSER   : in  std_logic_vector(C_M_AXI_ARUSER_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_ARVALID  : in  std_logic;
    M_AXI_ARREADY  : out std_logic;

    -- Master Interface Read Data Ports
    M_AXI_RID    : out std_logic_vector(C_M_AXI_ID_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_RDATA  : out std_logic_vector(C_M_AXI_DATA_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_RRESP  : out std_logic_vector(2-1 downto 0);
    M_AXI_RLAST  : out std_logic;
    M_AXI_RUSER  : out std_logic_vector(C_M_AXI_RUSER_WIDTH-1 downto 0);
    M_AXI_RVALID : out std_logic;
    M_AXI_RREADY : in  std_logic
    );

end axi_slave_bfm;

architecture implementation of axi_slave_bfm is

constant    AxBURST_FIXED    : std_logic_vector := "00";
constant    AxBURST_INCR    : std_logic_vector := "01";
constant    AxBURST_WRAP    : std_logic_vector := "10";

constant    RESP_OKAY        : std_logic_vector := "00";
constant    RESP_EXOKAY        : std_logic_vector := "01";
constant    RESP_SLVERR        : std_logic_vector := "10";
constant    RESP_DECERR        : std_logic_vector := "11";

constant    DATA_BUS_BYTES     : natural := C_M_AXI_DATA_WIDTH/8; -- データバスのビット幅
constant    ADD_INC_OFFSET    : natural := natural(log(real(DATA_BUS_BYTES), 2.0));

-- RAMの生成
constant    SLAVE_ADDR_NUMBER    : integer := 2**(C_OFFSET_WIDTH - ADD_INC_OFFSET);
type ram_array_def is array (SLAVE_ADDR_NUMBER-1 downto 0) of std_logic_vector(C_M_AXI_DATA_WIDTH-1 downto 0);
signal ram_array : ram_array_def := (others => (others => '0'));

-- for write transaction
type write_transaction_state is (idle_wr, awr_wait, awr_accept, wr_burst, wr_bvalid_assert);
type write_response_state is (idle_wres, bvalid_assert);
type write_wready_state is (idle_wrdy, wready_assert);
signal wrt_cs : write_transaction_state;
signal wrres : write_response_state;
signal wrwr : write_wready_state;
signal addr_inc_step_wr : integer := 1;
signal awready         : std_logic;
signal wr_addr         : std_logic_vector(C_OFFSET_WIDTH-1 downto 0);
signal wr_bid         : std_logic_vector(C_M_AXI_ID_WIDTH-1 downto 0);
signal wr_bresp     : std_logic_vector(1 downto 0);
signal wr_bvalid     : std_logic;
signal m_seq16_wr    : std_logic_vector(15 downto 0);
signal wready        : std_logic;
type wready_state is (idle_wready, assert_wready, deassert_wready);
signal cs_wready : wready_state;
signal cdc_we : std_logic;

-- for read transaction
type read_transaction_state is (idle_rd, arr_wait, arr_accept, rd_burst);
type read_last_state is (idle_rlast, rlast_assert);
signal rdt_cs : read_transaction_state;
signal rdlast : read_last_state;
signal addr_inc_step_rd : integer := 1;
signal arready         : std_logic;
signal rd_addr         : std_logic_vector(C_OFFSET_WIDTH-1 downto 0);
signal rd_axi_count    : std_logic_vector(7 downto 0);
signal rvalid        : std_logic;
signal rlast        : std_logic;
signal m_seq16_rd    : std_logic_vector(15 downto 0);
type rvalid_state is (idle_rvalid, assert_rvalid, deassert_rvalid);
signal cs_rvalid : rvalid_state;

signal reset_1d, reset_2d, reset : std_logic := '1';
signal bvalid_cnt : std_logic_vector(3 downto 0);

begin
    -- ARESETN をACLK で同期化
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            reset_1d <= not ARESETN;
            reset_2d <= reset_1d;
        end if;
    end process;
    reset <= reset_2d;
    
    -- AXI4バス Write Transaction State Machine
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                wrt_cs <= idle_wr;
                awready <= '0';
            else
                case (wrt_cs) is
                    when idle_wr =>
                        if M_AXI_AWVALID='1' then -- M_AXI_AWVALID が1にアサートされた
                            if rdt_cs=idle_rd then -- Read Transaction が終了している(Writeの方が優先順位が高い)
                                wrt_cs <= awr_accept;
                                awready <= '1';
                            else -- Read Transaction が終了していないのでWait
                                wrt_cs <= awr_wait;
                            end if;
                        end if;
                    when awr_wait => -- Read Transaction の終了待ち
                        if rdt_cs=idle_rd or rdt_cs=arr_wait then -- Read Transaction が終了
                            wrt_cs <= awr_accept;
                            awready <= '1';
                        end if;
                    when awr_accept => -- M_AXI_AWREADY をアサート
                        wrt_cs <= wr_burst;
                        awready <= '0';
                    when wr_burst => -- Writeデータの転送
                        if M_AXI_WLAST='1' and M_AXI_WVALID='1' and wready='1' then -- Write Transaction 終了
                            wrt_cs <= wr_bvalid_assert;
                        end if;
                    when wr_bvalid_assert => -- M_AXI_BVALID アサート
                        if wr_bvalid='1' and M_AXI_BREADY='1' then -- wr_bvalid が1でMaster側のReadyも1ならばWrite resonse channel の転送も終了
                            wrt_cs <= idle_wr;
                        end if;
                end case;
            end if;
        end if;
    end process;
    M_AXI_AWREADY <= awready;
    
    -- m_seq_wr、16ビットのM系列を計算する
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                m_seq16_wr <= (0 => '1', others => '0');
            else
                if WRITE_RANDOM_WAIT=1 then -- Write Transaction 時にランダムなWaitを挿入する
                    if wrt_cs=wr_burst and M_AXI_WVALID='1' then
                        m_seq16_wr <= M_SEQ16_BFM_F(m_seq16_wr);
                    end if;
                else -- Wait無し
                    m_seq16_wr <= (others => '0');
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
                
    -- wready の処理、M系列を計算して128以上だったらWaitする。
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                cs_wready <= idle_wready;
                wready <= '0';
            else
                case (cs_wready) is
                    when idle_wready =>
                        if wrt_cs=awr_accept then -- 次はwr_burst
                            if m_seq16_wr(7)='0' then -- wready='1'
                                cs_wready <= assert_wready;
                                wready <= '1';
                            else -- m_seq16_wr(7)='1' then -- wready='0'
                                cs_wready <= deassert_wready;
                                wready <= '0';
                            end if;
                        end if;
                    when assert_wready => -- 一度wreadyがアサートされたら、1つのトランザクションが終了するまでwready='1'
                        if wrt_cs=wr_burst and M_AXI_WLAST='1' and M_AXI_WVALID='1' then -- 終了
                            cs_wready <= idle_wready;
                            wready <= '0';
                        elsif wrt_cs=wr_burst and M_AXI_WVALID='1' then -- 1つのトランザクション終了。
                            if m_seq16_wr(7)='1' then
                                cs_wready <= deassert_wready;
                                wready <= '0';
                            end if;
                        end if;
                    when deassert_wready =>
                        if m_seq16_wr(7)='0' then -- wready='1'
                            cs_wready <= assert_wready;
                            wready <= '1';
                        end if;
                end case;
            end if;
        end if;
    end process;
    
    M_AXI_WREADY <= wready;
    cdc_we <= '1' when wrt_cs=wr_burst and wready='1' and M_AXI_WVALID='1' else '0';
    
    -- addr_inc_step_wr の処理
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                addr_inc_step_wr <= 1;
            else
                if wrt_cs=awr_accept then
                    case (M_AXI_AWSIZE) is
                        when "000" => -- 8ビット転送
                            addr_inc_step_wr <= 1;
                        when "001" => -- 16ビット転送
                            addr_inc_step_wr <= 2;
                        when "010" => -- 32ビット転送
                            addr_inc_step_wr <= 4;
                        when "011" => -- 64ビット転送
                            addr_inc_step_wr <= 8;
                        when "100" => -- 128ビット転送
                            addr_inc_step_wr <= 16;
                        when "101" => -- 256ビット転送
                            addr_inc_step_wr <= 32;
                        when "110" => -- 512ビット転送
                            addr_inc_step_wr <= 64;
                        when others => --"111" => -- 1024ビット転送
                            addr_inc_step_wr <= 128;
                    end case;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    
    -- wr_addr の処理
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                wr_addr <= (others => '0');
            else
                if wrt_cs=awr_accept then
                    wr_addr <= M_AXI_AWADDR(C_OFFSET_WIDTH-1 downto 0);
                elsif wrt_cs=wr_burst and M_AXI_WVALID='1' and wready='1' then -- アドレスを進める
                    wr_addr <= wr_addr + addr_inc_step_wr;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    
    -- wr_bid の処理
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                wr_bid <= "0";
            else
                if wrt_cs=awr_accept then
                    wr_bid <= M_AXI_AWID;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    M_AXI_BID <= wr_bid;
    
    -- wr_bresp の処理
    -- M_AXI_AWBURSTがINCRの時はOKAYを返す。それ以外はSLVERRを返す。
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                wr_bresp <= (others => '0');
            else
                if wrt_cs=awr_accept then
                    if M_AXI_AWBURST=AxBURST_INCR then -- バーストタイプがアドレス・インクリメントタイプ
                        wr_bresp <= RESP_OKAY; -- Write Transaction は成功
                    else
                        wr_bresp <= RESP_SLVERR; -- エラー
                    end if;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    M_AXI_BRESP <= wr_bresp;
    
    -- wr_bvalid の処理
    -- WR_BVALID_RANDOM_WAIT が1の時にランダムにWait、0の時は1クロックWait
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                bvalid_cnt <= (others => '0');
            else
                if WR_BVALID_RANDOM_WAIT=1 then -- ランダムWait
                    if M_AXI_WLAST='1' and M_AXI_WVALID='1' and wready='1' then -- Write Transaction 終了
                        bvalid_cnt <= m_seq16_wr(3 downto 0); -- 0 ~ 15 wait
                    elsif bvalid_cnt /= 0 then
                        bvalid_cnt <= bvalid_cnt - 1;
                    end if;
                else
                    bvalid_cnt <= (others => '0');
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
        
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                wr_bvalid <= '0';
            else
                if wr_bvalid='1' and M_AXI_BREADY='1' then -- wr_bvalid が1でMaster側のReadyも1ならばWrite resonse channel の転送も終了
                    wr_bvalid <= '0';
                elsif wrt_cs=wr_bvalid_assert and bvalid_cnt=0 then -- Write Transaction 終了
                    wr_bvalid <= '1';
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    M_AXI_BVALID <= wr_bvalid;
    M_AXI_BUSER <= (others => '0');
    
    
    -- AXI4バス Read Transaction State Machine
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                rdt_cs <= idle_rd;
                arready <= '0';
            else
                case (rdt_cs) is
                    when idle_rd =>
                        if M_AXI_ARVALID='1' then -- Read Transaction 要求
                            if wrt_cs=idle_wr and M_AXI_AWVALID='0' then -- Write Transaction State Machine がidle でWrite要求もない
                                rdt_cs <= arr_accept;
                                arready <= '1';
                            else -- Write Transaction が終了していないのでWait
                                rdt_cs <= arr_wait;
                            end if;
                        end if;
                    when arr_wait => -- Write Transaction の終了待ち
                        if wrt_cs=idle_wr and M_AXI_AWVALID='0' then -- Write Transaction State Machine がidle でWrite要求もない
                            rdt_cs <= arr_accept;
                            arready <= '1';
                        end if;
                    when arr_accept => -- M_AXI_ARREADY をアサート
                        rdt_cs <= rd_burst;
                        arready <= '0';
                    when rd_burst => -- Readデータの転送
                        if rd_axi_count=0 and rvalid='1' and M_AXI_RREADY='1' then -- Read Transaction 終了
                            rdt_cs <= idle_rd;
                        end if;
                end case;
            end if;
        end if;
    end process;
    M_AXI_ARREADY <= arready;

    -- m_seq_rd、16ビットのM系列を計算する
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                m_seq16_rd <= (others => '1'); -- Writeとシードを変更する
            else
                if READ_RANDOM_WAIT=1 then -- Read Transaciton のデータ転送でランダムなWaitを挿入する場合
                    if rdt_cs=rd_burst and M_AXI_RREADY='1' then
                        m_seq16_rd <= M_SEQ16_BFM_F(m_seq16_rd);
                    end if;
                else -- Wati無し
                    m_seq16_rd <= (others => '0');
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
                
    -- rvalid の処理、M系列を計算して128以上だったらWaitする。
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                cs_rvalid <= idle_rvalid;
                rvalid <= '0';
            else
                case (cs_rvalid) is
                    when idle_rvalid =>
                        if rdt_cs=arr_accept then -- 次はrd_burst
                            if m_seq16_rd(7)='0' then -- rvalid='1'
                                cs_rvalid <= assert_rvalid;
                                rvalid <= '1';
                            else -- m_seq16_rd(7)='1' then -- rvalid='0'
                                cs_rvalid <= deassert_rvalid;
                                rvalid <= '0';
                            end if;
                        end if;
                    when assert_rvalid => -- 一度rvalidがアサートされたら、1つのトランザクションが終了するまでrvalid='1'
                        if rdt_cs=rd_burst and rlast='1' and M_AXI_RREADY='1' then -- 終了
                            cs_rvalid <= idle_rvalid;
                            rvalid <= '0';
                        elsif rdt_cs=rd_burst and M_AXI_RREADY='1' then -- 1つのトランザクション終了。
                            if m_seq16_rd(7)='1' then
                                cs_rvalid <= deassert_rvalid;
                                rvalid <= '0';
                            end if;
                        end if;
                    when deassert_rvalid =>
                        if m_seq16_rd(7)='0' then -- rvalid='1'
                            cs_rvalid <= assert_rvalid;
                            rvalid <= '1';
                        end if;
                end case;
            end if;
        end if;
    end process;
    
    M_AXI_RVALID <= rvalid;
    
    -- addr_inc_step_rd の処理
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                addr_inc_step_rd <= 1;
            else
                if rdt_cs=arr_accept then
                    case (M_AXI_ARSIZE) is
                        when "000" => -- 8ビット転送
                            addr_inc_step_rd <= 1;
                        when "001" => -- 16ビット転送
                            addr_inc_step_rd <= 2;
                        when "010" => -- 32ビット転送
                            addr_inc_step_rd <= 4;
                        when "011" => -- 64ビット転送
                            addr_inc_step_rd <= 8;
                        when "100" => -- 128ビット転送
                            addr_inc_step_rd <= 16;
                        when "101" => -- 256ビット転送
                            addr_inc_step_rd <= 32;
                        when "110" => -- 512ビット転送
                            addr_inc_step_rd <= 64;
                        when others => -- "111" => -- 1024ビット転送
                            addr_inc_step_rd <= 128;
                    end case;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    
    -- rd_addr の処理
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                rd_addr <= (others => '0');
            else
                if rdt_cs=arr_accept then
                    rd_addr <= M_AXI_ARADDR(C_OFFSET_WIDTH-1 downto 0);
                elsif rdt_cs=rd_burst and M_AXI_RREADY='1' and rvalid='1' then
                    rd_addr <= rd_addr + addr_inc_step_rd;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    
    -- rd_axi_count の処理(AXIバス側のデータカウント)
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                rd_axi_count <= (others => '0');
            else
                if rdt_cs=arr_accept then -- rd_axi_count のロード
                    rd_axi_count <= M_AXI_ARLEN;
                elsif rdt_cs=rd_burst and rvalid='1' and M_AXI_RREADY='1' then -- Read Transaction が1つ終了
                    rd_axi_count <= rd_axi_count - 1;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    
    -- rdlast State Machine
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                rdlast <= idle_rlast;
                rlast <= '0';
            else
                case (rdlast) is
                    when idle_rlast =>
                        if rd_axi_count=1 and rvalid='1' and M_AXI_RREADY='1' then -- バーストする場合
                            rdlast <= rlast_assert;
                            rlast <= '1';
                        elsif rdt_cs=arr_accept and M_AXI_ARLEN=0 then -- 転送数が1の場合
                            rdlast <= rlast_assert;
                            rlast <= '1';
                        end if;
                    when rlast_assert => 
                        if rvalid='1' and M_AXI_RREADY='1' then -- Read Transaction 終了(rd_axi_count=0は決定)
                            rdlast <= idle_rlast;
                            rlast <= '0';
                        end if;
                end case;
            end if;
        end if;
    end process;
    M_AXI_RLAST <= rlast;
    
    -- M_AXI_RID, M_AXI_RUSER の処理
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                M_AXI_RID <= (others => '0');
            else
                if rdt_cs=arr_accept then
                    M_AXI_RID <= M_AXI_ARID;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    M_AXI_RUSER <= (others => '0');
    
    -- M_AXI_RRESP は、M_AXI_ARBURST がINCR の場合はOKAYを返す。それ以外はSLVERRを返す。
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if reset='1' then
                M_AXI_RRESP <= (others => '0');
            else
                if rdt_cs=arr_accept then
                    if M_AXI_ARBURST=AxBURST_INCR then
                        M_AXI_RRESP <= RESP_OKAY;
                    else
                        M_AXI_RRESP <= RESP_SLVERR;
                    end if;
                end if;
            end if;
        end if;
    end process;
    
    -- RAM
    process (ACLK) begin
        if ACLK'event and ACLK='1' then 
            if cdc_we='1' then
                for i in 0 to C_M_AXI_DATA_WIDTH/8-1 loop
                    if M_AXI_WSTRB(i)='1' then -- Byte Enable
                        ram_array(CONV_INTEGER(wr_addr(C_OFFSET_WIDTH-1 downto ADD_INC_OFFSET)))(i*8+7 downto i*8) <= M_AXI_WDATA(i*8+7 downto i*8);
                    end if;
                end loop;
            end if;
        end if;
    end process;
    M_AXI_RDATA <= ram_array(CONV_INTEGER(rd_addr(C_OFFSET_WIDTH-1 downto ADD_INC_OFFSET)));

end implementation;

  1. 2013年01月03日 17:18 |
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