比特调节器 (BitScrambler) 驱动

[English]

介绍

比特调节器 (BitScrambler) 是一个外设，能够基于用户提供的程序对 DMA 数据流执行多种类型的转换。ESP-IDF 提供了比特调节器程序的汇编器、构建系统和驱动支持。在 ESP32-C5 中，比特调节器外设具有独立的 TX（发送）和 RX（接收）通道，可分别关联到相同或不同的外设。

功能概述

比特调节器汇编程序

比特调节器对 DMA 数据流执行的操作由比特调节器程序定义。由于比特调节器程序是一个难以手动编写的二进制 blob，因此 ESP-IDF 提供了汇编器，将易于编写的文本文件转换为比特调节器二进制程序。

比特调节器汇编文件由注释、标签、指令包和元指令组成。对于注释，汇编器会直接忽略。标签用于定义程序中的位置。指令可以跳转到标签指定的位置。指令包是一组子指令，这些指令会被组装成一个 257 位的比特调节器指令。元指令用于定义比特调节器的全局配置，例如尾随字节数、预取模式或查找表 (LUT) 内容。

比特调节器汇编文件不区分大小写，也不依赖缩进。本文档中使用的大小写混合仅便于阅读。整数字段默认使用十进制，但也可使用十六进制（前缀 0x）或二进制（前缀 0b）。

注释

注释以 # 开头，并持续到行末。注释可以出现在允许空格的任何位置，包括指令包内的子指令之间。

标签

任何由非空白字符组成并以英文冒号结尾的字符串都是一个标签。标签是对汇编文件中下一个指令包的符号引用。标签不能放在指令包内部，而应位于指令包之前。

示例：

loop_back:
    set 0..3 4..7,
    set 4..7 0..3,
    read 8,
    write 8,
    jmp loop_back

该指令包中的 jmp 指令会跳回自身的起始位置，反复执行整个指令包，形成一个紧密循环。

指令包

指令包由以逗号分隔的子指令组成。整个指令包会被汇编成一条 257 位的指令，由比特调节器在单个时钟周期内执行完成。指令包中的所有子指令会并行执行，而不受它们在汇编源代码中的顺序影响。指令包在最后一个没有逗号的子指令后结束。

如需了解比特调节器的详细信息，请参阅 ESP32-C5 技术参考手册 > 比特调节器 [PDF]。

总结来说，比特调节器包含一个 32 位的输出寄存器，其每一位可以取自任意一个源的任意一位。支持的源包括：

  • 一个 64 位的输入寄存器，从传入的 DMA 数据流中获取数据

  • 两个 16 位的计数器

  • 一个 30 位寄存器，包含各种比较的输出结果

  • 一个固定的高位和低位

  • 一个查找表 (LUT) RAM 的输出

  • 上一周期中输出寄存器的值

子指令

set [output] [source_bits]：将一个或多个源位路由到输出位。注意，可以使用 .. 操作符路由多个位，例如 set 0..3 O4..O6 等效于 set 0 O4, set 1 O5, set 2 O6, set 3 O7。第一个参数是输出位或输出位范围，输出位的编号范围为 0 到 31。第二个参数是一个或一组 源位 (source_bit)。注意，在指令包中，如果某些输出位没有对应的 set 子指令，会默认将其设置为低逻辑电平。

write [n]：在路由所有输出位后，取寄存器的最低有效 n 位并推送到 DMA 的输出流中。n 可以是 0、8、16 或 32。如果指令包中没有 write 子指令，则其效果等同于 write 0。

read [n]：在路由所有输出位并将数据写入输出寄存器后，从输入 DMA 流中读取 n 位数据，并将其推入 64 位输入寄存器。n 的取值可以是 0、8、16 或 32。这些新读取的位将从最高有效位开始依次进入 FIFO。例如，执行 read 16 将输入寄存器中原本的位 63～16 整体下移至位 47～0，而从 DMA 流读取的新 16 位数据会填充输入寄存器的位 63～48。如果一个指令包中没有 read 指令，其效果等同于 read 0。

操作码 (opcode)

  • LOOP(A|B) end_val ctr_add tgt：如果选定的计数器（A 或 B）小于 end_val，将 ctr_add 添加到选定的计数器（A 或 B），并跳转到标签 tgt。否则继续执行。

  • ADD(A|B)[H|L] val：将 val 添加到选定的计数器。如果附加了 H 或 L，则分别仅更新计数器的高 8 位或低 8 位。

  • IF[N] source_bit tgt：如果源位 source_bit 为 1（对于 IF）或 0（对于 IFN），则跳转到标签 tgt。

  • LDCTD(A|B)[H|L] val：将 val 加载到指定的计数器中。如果附加了 H 或 L，则分别仅更新计数器的高 8 位或低 8 位。

  • LDCTI(A|B)[H|L]：将发送到输出寄存器的 16～31 位加载到指定的计数器（A 或 B）。如果附加了 H 或 L，则分别仅更新计数器的高 8 位或低 8 位。

  • ADDCTI(A|B)[H|L]：将发送到输出寄存器的 16～31 位加到指定的计数器（A 或 B）上。如果附加了 H 或 L，则分别仅评估并更新计数器的高 8 位或低 8 位。

  • JMP tgt：无条件跳转到标签 tgt，等同于 IF h tgt。

  • NOP - 无操作，等同于 ADDA 0。

备注

注意，一个指令包中只能包含一个操作码、一个 read 指令和一个 write 指令，但可以包含多个 set 指令。多个 set 指令不能对同一输出位进行赋值。

源位 (source_bit)

set 和 if/ ifn 指令包含一个 source_bit 字段，其取值范围如下：

  • 0 ～ 63：选定的位来源于输入寄存器中对应的位。

  • O0 ～ O31：选定的位来源于上一周期中输出寄存器的值。

  • A0 ～ A15：选定的位来源于 A 计数器寄存器中对应的位。

  • B0 ～ B15：选定的位来源于 B 计数器寄存器中对应的位。

  • L0 ～ L31：选定的位来源于 LUT RAM 的输出。根据**ESP32-C5 技术参考手册** [PDF]，LUT RAM 的输出是 LUT 中某个项，该项的位置由上一周期路由到输出寄存器的最高有效 N 位决定。其中，N 的取值对应 32、16 和 8 位的 LUT，分别为 9、10、11。

  • 将 B 计数器的部分值与上一周期传输至输出寄存器的位进行比较时，整个条件由三部分组成：

    1. 第一部分：指定比较的是 B 计数器的全部位，还是仅高 8 位或低 8 位：

    • B：比较整个 B 计数器

    • BH：比较 B 计数器的高 8 位

    • BL：比较 B 计数器的低 8 位

    1. 第二部分：比较运算符，支持操作 <=、 > 和 =。

    2. 第三部分：指定输出寄存器中用于比较的位偏移：

    • 16 位比较时，可选 O0 或 O16

    • 8 位比较时，可选 O0、O8、O16 或 O24

  • H 或 L：这些源是固定的高逻辑电平或低逻辑电平。

备注

注意，并非所有源都可以在同一指令中一起使用。例如，无法在同一指令包中同时使用来自两个计数器的某一位和来自输入 FIFO 高 32 位中的某个位。如果指令包尝试这样做，汇编器会生成错误。

示例

如下是比特调节器的一个程序示例：

loop_back:
    set 0..3 4..7,
    set 4..7 0..3,
    read 8,
    write 8,
    jmp loop_back

这个程序只有一条指令（因为只有最后的 jmp 行没有以逗号结尾）。此程序将从内存读取的低 4 位数据传送到输出寄存器的第一个字节的高 4 位，同时，将输入寄存器接下来的 4 位数据传送到输出寄存器的低 4 位。然后，它将 8 位数据（一个字节）写入输出，并从输入中读取 8 位数据。最后，程序跳转回指令开始处继续执行。注意，这些操作都在一个比特调节器周期内执行，并且由于子指令都属于同一条指令，因此在指令内部可以按任何顺序指定。这个小型比特调节器程序的最终结果是：接收数据，例如 01 23 45 67，并交换每个字节的高低半字节，输出结果为 10 32 54 76。

元指令

元指令用于设置全局的比特调节器配置。元指令可以出现在汇编文件的任何位置（指令包内部除外），并且由于其全局性质，可能会影响之前的汇编代码。目前定义了两条元指令：cfg 用于全局比特调节器设置，lut 定义查找表 (lookup table) RAM 的内容。

全局配置元指令

  • cfg prefetch true|false：如果 prefetch 设置为 true，则比特调节器启动时会从输入 DMA 流中读取 64 位数据到输入寄存器中。如果设置为 false，输入寄存器将被初始化为零。默认为 true。请注意，如果启用了 prefetch 但是输入流无法提供至少 64 位的数据，比特调节器会发生挂起。

  • cfg eof_on upstream|downstream：输入流结束后，比特调节器仍会计算一定量的“尾随”填充字节，以便清空其寄存器中可能存储的数据。此设置表示的是尾随字节的来源：如果设置为 upstream，比特调节器从输入流中读取一定数量的填充字节，如果设置为 downstream，比特调节器会等待写入足够的字节。默认为 upstream。

  • cfg trailing_bytes N：该设置指示比特调节器在指示输出流结束之前，需要读取或写入（取决于 eof_on 设置）多少个填充字节。默认值为 0。

  • cfg lut_width_bits 8|16|32：该设置选择 LUT 输出 RAM 的总线宽度（单位：位）。LUT 的大小可以是 2048×8 位、1024×16 位或 512×32 位。默认值为 32。

LUT 内容元指令

lut 指令用于指定 LUT RAM 的内容。该元指令后跟一个或多个数值，用空格或逗号分隔。LUT RAM 的位置是按它们在汇编程序中出现的顺序定义的；第一个值总是存储在位置 0，第二个值总是存储在位置 1，以此类推。LUT 元指令的参数数量是任意的，因为 LUT 元指令可以随时拆分或合并。例如，lut 1,2,3,4 等同于 lut 1,2 在一行， lut 3,4 在下一行。注意，LUT 的值必须在与 cfg lut_width_bits 配置元语句所给定的值的范围内。

构建系统集成

比特调节器完全支持 ESP-IDF 构建系统。一个组件（包括主组件）可以在其源目录中直接包含比特调节器汇编源文件，这些文件通常具有后缀 .bsasm。具体而言，需在组件的 CMakeLists.txt 文件中调用 target_bitscrambler_add_src("assembly_file.bsasm")，从而将此类文件汇编并链接到主应用程序中。例如，对于名为 my_program.bsasm 的汇编文件，CMakeLists.txt 文件可能如下所示：

idf_component_register(SRCS "main.c" "some-file.c"
                INCLUDE_DIRS "./include")

target_bitscrambler_add_src("my_program.bsasm")

要使用汇编后的比特调节器程序，可以这样引用：

// 创建一个变量 'my_bitscrambler_program'，它解析为
// 二进制的比特调节器程序。
// 第二个参数与汇编文件的名称相同，但不包括 ".bsasm"
BITSCRAMBLER_PROGRAM(my_bitscrambler_program, "my_program");

[...]

bitscrambler_handle_t bs;
[...创建比特调节器实例]
bitscrambler_load_program(bs, my_bitscrambler_program);

回环模式

比特调节器支持回环模式，适用于不涉及外设的数据转换任务。回环模式下，TX 和 RX 通道都会被占用，但实际上只有 TX 比特调节器执行代码。注意，即使回环模式不涉及外设，仍然需要选择一个外设。此外设无需初始化或使用，但如果使用，将无法使用其 DMA 功能。

资源分配和程序加载

在回环模式下，使用 bitscrambler_loopback_create() 创建一个比特调节器对象。如果有一个与请求的特性匹配的比特调节器外设，该函数将返回此外设的句柄。然后，使用 bitscrambler_load_program() 将比特调节器程序加载到创建的对象中，再调用 bitscrambler_loopback_run() 使用此加载的程序进行内存缓冲区的比特转换。可以多次调用 bitscrambler_loopback_run()，也可以在调用之间使用 bitscrambler_load_program() 更改程序。最后，调用 bitscrambler_free() 释放硬件资源并清理内存。

应用示例

API 参考

Header File

  • components/esp_driver_bitscrambler/include/driver/bitscrambler.h

  • This header file can be included with:

    #include "driver/bitscrambler.h"

  • This header file is a part of the API provided by the esp_driver_bitscrambler component. To declare that your component depends on esp_driver_bitscrambler, add the following to your CMakeLists.txt:

    REQUIRES esp_driver_bitscrambler

    or

    PRIV_REQUIRES esp_driver_bitscrambler

Functions

esp_err_t bitscrambler_new(const bitscrambler_config_t *config, bitscrambler_handle_t *handle)

Allocate BitScrambler handle for a hardware channel.

参数:

  • config -- Configuration for requested BitScrambler

  • handle -- [out] BitScrambler controller handle

返回:

  • ESP_OK

  • ESP_ERR_NO_MEM: No memory available

  • ESP_ERR_NOT_FOUND: No free hardware channel available

void bitscrambler_free(bitscrambler_handle_t handle)

Free previously allocated BitScrambler handle.

参数:

handle -- Previously allocated handle

esp_err_t bitscrambler_load_program(bitscrambler_handle_t handle, const void *program)

Load a BitScrambler binary program into BitScrambler memory.

参数:

  • handle -- BitScrambler handle

  • program -- Binary program to load

返回:

  • ESP_OK

  • ESP_ERR_INVALID_ARG: Not a valid or recognized BitScrambler binary, or invalid handle

esp_err_t bitscrambler_load_lut(bitscrambler_handle_t handle, void *lut, size_t size_bytes)

Load data into the Look-Up Table.

参数:

  • handle -- BitScrambler handle

  • lut -- Data to load

  • size_bytes -- Size of the data, in bytes

返回:

  • ESP_OK

  • ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid handle or lut pointer

esp_err_t bitscrambler_start(bitscrambler_handle_t handle)

Start executing BitScrambler program.

参数:

handle -- BitScrambler handle

返回:

  • ESP_OK

  • ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid handle

esp_err_t bitscrambler_reset(bitscrambler_handle_t handle)

Reset BitScrambler program and FIFOs for a new transaction. Note that this does not affect the loaded program itself.

参数:

handle -- BitScrambler handle

返回:

  • ESP_OK

  • ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid handle

Structures

struct bitscrambler_config_t

BitScrambler configuration.

Public Members

bitscrambler_direction_t dir

Direction (tx or rx)

int attach_to

Peripheral to attach to. One of SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_.

Macros

BITSCRAMBLER_PROGRAM(VAR, NAME)

Declare a BitScrambler binary program.

This macro declares an external reference to a BitScrambler binary program. The binary program is expected to be linked into the binary with a specific naming convention.

参数:

  • VAR -- The variable name to declare.

  • NAME -- The name of the binary program.

Type Definitions

typedef struct bitscrambler_t *bitscrambler_handle_t

Handle for the bitscrambler instance.

This typedef defines a handle for a bitscrambler instance, which is used to manage and interact with the bitscrambler. The handle is a pointer to an opaque structure, meaning that the internal details of the structure are hidden from the user.

Header File

  • components/esp_driver_bitscrambler/include/driver/bitscrambler_loopback.h

  • This header file can be included with:

    #include "driver/bitscrambler_loopback.h"

  • This header file is a part of the API provided by the esp_driver_bitscrambler component. To declare that your component depends on esp_driver_bitscrambler, add the following to your CMakeLists.txt:

    REQUIRES esp_driver_bitscrambler

    or

    PRIV_REQUIRES esp_driver_bitscrambler

Functions

esp_err_t bitscrambler_loopback_create(bitscrambler_handle_t *handle, int attach_to, size_t max_transfer_sz_bytes)

Create handle for BitScrambler in loopback mode.

备注

Use bitscrambler_free to free created handle.

参数:

  • handle -- [out] BitScrambler handle

  • attach_to -- Peripheral to attach to. One of SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_. The BitScrambler must be attached to some peripheral, even in loopback mode. This peripheral does not need to be initialized for the BitScrambler to work. However, it can be initialized and will work as normal, with the exception that DMA functionality for this peripheral cannot be used.

  • max_transfer_sz_bytes -- Maximum transfer size, in bytes, of either the incoming or outgoing data fed to bitscrambler_loopback_run.

返回:

  • ESP_OK

  • ESP_ERR_NO_MEM: No memory available

  • ESP_ERR_NOT_FOUND: No free hardware channel available

  • ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid argument passed to function

  • ESP_FAIL: Bitscrambler object creation failed because of some other error

esp_err_t bitscrambler_loopback_run(bitscrambler_handle_t bs, void *buffer_in, size_t length_bytes_in, void *buffer_out, size_t length_bytes_out, size_t *bytes_written)

Run Bitscrambler program on a data buffer.

参数:

  • bs -- BitScrambler handle. This BitScrambler should have a program loaded using bitscrambler_load_program()

  • buffer_in -- Data to feed into the BitScrambler

  • length_bytes_in -- Size of the data in buffer_in, in bytes

  • buffer_out -- Buffer for BitScrambler to write processed data to

  • length_bytes_out -- Size of output buffer

  • bytes_written -- [out] Pointer to variable to store the size of actual data written to output buffer. Can be NULL if not needed.

返回:

  • ESP_OK

  • ESP_ERR_INVALID_SIZE if a buffer size exceeds max_transfer_sz_bytes

  • ESP_ERR_TIMEOUT if BitScrambler program does not complete

Header File

Macros

SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_GPSPI2
SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_UHCI
SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_I2S0
SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_AES
SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_SHA
SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_ADC
SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_PARL_IO
SOC_BITSCRAMBLER_ATTACH_MAX

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