基于單片機的復雜可編程邏輯器件快速配置方法摘要：介紹基于SRAM的可重配置CPLD的原理，通過對多種串行配置的比較，提出了由單片機和FLASH存儲器組成的串行配置方式，并從系統(tǒng)復雜度、可靠性和經(jīng)濟性等方面進行了比較和分析。關鍵詞：復雜可編程邏輯器件靜態(tài)隨機存儲器被動串行基于SRAM（靜態(tài)隨機存儲器）的可重配置PLD（可編程邏輯器件）的出現(xiàn)，為系統(tǒng)設計者動態(tài)改變運行電路中PLD的邏輯功能創(chuàng)造了條件。PLD使用SRAM單元來保存配置數(shù)據(jù)。這些配置數(shù)據(jù)決定了PLD內(nèi)部的互連關系和邏輯功能，改變這些數(shù)據(jù)，也就改變了器件的邏輯功能。由于SRAM的數(shù)據(jù)是易失的，因此這些數(shù)據(jù)必須保存在PLD器件以外的EPROM、EEPROM或FLASHROM等非易失存儲器內(nèi)，以便使系統(tǒng)在適當?shù)臅r候?qū)⑵湎螺d到PLD的SRAM單元中，從而實現(xiàn)在電路可重配置ICR（In-CircuitReconfigurability）。本文介紹筆者設計的PLDICR控制電路，它不但線路結構簡潔、開發(fā)容易、體積小、成本低，并且在圖2介紹的ICR控制電路中，其存儲PLD配置數(shù)據(jù)的FLASH存儲器采用并行總線，交換速度較快。然而PLD配置數(shù)據(jù)較大，通常都在數(shù)十千字節(jié)以上。如何提高圖2介紹的ICR控制電路的配置速度，使系統(tǒng)上電后的最短的時間內(nèi)完成配置而進入正常工作狀態(tài)，軟件設計上的一個重點。1基于SRAM的可重配置CPLD的結構與原理早期的可編程邏輯器件大多采用紫外線可擦除只讀存儲器（EPROM）和電可擦除只讀存儲器（EEPROM）方式。如GAL系列、EPF7064、EPF7128等。由于其結構簡單、規(guī)模小，只能完成簡單數(shù)字邏輯功能。此后，出現(xiàn)了一類結構上稍復雜的基于SRAM存儲器的可編程芯片，即復雜可編程邏輯器件（CPLD），它能完成各種數(shù)字邏輯功能。采用這些結構的可編程邏輯器件有ALTERA公司的FLEX、ACEX、APEX系列，XILINX公司的Spartan、Virtex系列。多年來，ALTERA公司一直致力于CPLD的開發(fā)。近幾年，該公司又推出了很有競爭力的CPLD器件，即靈活的邏輯單元陣列的FLEX（FlexibleLogicElementMatrix）系列產(chǎn)品。相對于其它一些廠家的FPGA產(chǎn)品來說，ALTERA公司的FLEX系列產(chǎn)品有其獨特之處。這主要表現(xiàn)在高密度、在線配置功能、高速度和連續(xù)式布線結構等方面。查找表LUT（Look-Up-Table）是基于SRAM的可重配置PLD的一個重要組成部分，LUT本質(zhì)上就是一個RAM。目前CPLD中多使用4輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成個有4位地址線的16×1bit的RAM。當用戶通過GDF原理圖或VHDL語言描述了一個邏輯電路后，CPLD開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果，并把結果事先存入查找表。這樣，當多信信號進行邏輯運算時就等于輸入一個地址進行查表，找出地址所對應的內(nèi)容，然后將其輸出即可。2可編程邏輯器件的配置原理首先在開發(fā)軟件MAX+PLUSII的ASSIGN菜單下選擇將要采用的基于SRAM的器件名稱。經(jīng)過編譯、優(yōu)化、邏輯綜合、仿真等步驟達到設計要求后，軟件會自動產(chǎn)生一個編程文件（擴展名為.SOF文件）。對于基于SRAM工藝的可編程邏輯器件（如ALTERA的所有FLEX、ACEX、APEX系列，XILINX的Sparten、Vertex系列），由于SRAM存儲器的特點，掉電后數(shù)據(jù)會消失，因此在調(diào)試期間可以采用并口ByteblasteMV下載電纜多次重復配置PLD器件。當電路設計成功，調(diào)試完成后，需要將配置數(shù)據(jù)燒寫固化在一個由ALTERA生產(chǎn)的專用EEPROM（如EPC1441）中。上電時，由這片配置EEPROM先對PLD加載數(shù)據(jù)，幾十毫秒后，PLD即可正常工作。CPLD器件的工作狀態(tài)分為三種：首先是上電配置狀態(tài)（ConfigurationMode），將編程的數(shù)據(jù)裝入CPLD器件的過程，也可稱之為構造；然后是初始化狀態(tài)（InitializationMode），在配置完成后，CPLD器件復位內(nèi)部各類寄存器，讓I/O引腳為邏輯器件正常工作做準備；最后是用戶狀態(tài)（UserMode），指電路中CPLD器件正常工作時的狀態(tài)。ALTERA公司具有ICR功能的PLD器件有FLEX8000、FLEX10K、APEX和ACEX系列，它們的配置方式可分為PS、PPS和JTAG（JointTestActionGroup）等方式。PS方式因PLD與配置電路的互連最簡單，對配置時鐘的最小頻率沒有限制而應用最廣泛，因此在ICR控制電路中通常采用PS配置方式來實現(xiàn)ICR功能。被動串行（PS）配置方式：在該配置方式下，由ByteblasteMV下載電纜產(chǎn)生一個由低到高的跳變送到nCONFIG引腳腳復位PLD，然后將配置數(shù)據(jù)送到DATA0引腳，直到CONF_DONE引腳變?yōu)楦唠娖?。圖1是PS配置方式的時序圖。CONF_DONE變成高電平后，DCLK必須多余十個周期來初始化該器件。器件的初始化由下載電纜自動執(zhí)行。在PS方式中沒有握手信號，所以配置時鐘的工作頻率必須低于10MHz。在多器件PS配置方式中，第一片PLD的nCEO引腳級聯(lián)到下一片PLD的nCE引腳。在配置完第一個器件后，nCEO輸出為低，使第二個PLD器件的nCE有效，開始對第二塊器件進行配置。3用WINBOND78E58單片機配置可編程邏輯器件用單片機配置可編程邏輯器件與上述PS配置方式原理一致，只需模擬PS配置方式中DATA0、DCLK、nCONFIG、CONF_DONE、nSTATUS引腳的配置時序，將配置數(shù)據(jù)串行移入PLD。配置引腳的功能如表1所示。3.1硬件設計用單片機配置PLD，可以使用普通輸入輸出口或單行口。使用普通I/O口（如P1口），向PLD發(fā)送1Bit數(shù)據(jù)至少需要4個指令周期。一個指令給DATA0賦值，兩個指令產(chǎn)生DCLK時鐘，一個指令移位取數(shù)據(jù)。如果晶振為fosc，一個指令周期為12/fosc，因此它的下載速率為fosc/48。然而如果采用串行口方式0，其下載速率提高為fosc/12?？紤]到PLD配置文件數(shù)據(jù)比較大，通常都在數(shù)十千字節(jié)以上（其配置文件大小如表2），為了加快配置速度，并適合各種不同規(guī)模的PLD，采用了WINBOND78E58單片機。該單片機外接晶振最大頻率為40MHz，它在串行口方式0下波特率可設置為fosc/4。另外通過設置特殊功能寄存器CKCON的MD0、MD1、MD2三位，可以將MOVX、MOVC等指令周期縮短至2個機器周期。與普通單片機相比，可使配置時間大為縮短。WINBOND78E58單片機內(nèi)部擁有32KBFLASHROM.由配置文件數(shù)據(jù)表2可知，只需一片單片機就可以對EPF10K20系列以下的PLD進行配置了。本系統(tǒng)中使用了一片APEX20K300E，因此在硬件電路設計中，擴展了一片WINBOND29C040FLASH存儲器（容量為512KB），其電路如圖2。DATA0與RXD、DCLK與TXD、nCONF與P15、CONFIG_DONE與P16、nSTATUS與P17分別相連。躬3.隨2線灶軟件出設計臨塵異榜在軟款件編謠程時勻，使最用了刃串行譜口移獲位寄佛存器青輸入滑輸出他方式著。本摟系統(tǒng)桶只需自用到獨輸出用方式寫，串被行數(shù)植據(jù)通績過R眾XD況引腳疲輸出鎮(zhèn)，而溪在T疼XD笨引腳室輸出支移位云時鐘艱。當石一字蝶節(jié)數(shù)惜據(jù)寫祖入串曠行數(shù)逝據(jù)緩臭沖器敏SB瀉UF級時，灰就開寶始發(fā)濃送。吧在此嚼期間論，發(fā)蹄送控沒制器咽送出種移位捉信號鄰，使暗發(fā)送餃移位昏寄存社器的和內(nèi)容唐右移害一位燥，直點至最草高位吹（D胳7位賽）數(shù)揪字移微出后邪，停遺止發(fā)換送數(shù)曉據(jù)和來移位鳳時鐘衰脈沖掀。R誰XD端、T其XD室時序君如圖野3。凡由圖貴3可島知，辦它可義以用猜來模疾擬配教置時反序。豈發(fā)送抖完一踩字節(jié)威數(shù)據(jù)寒后，懲硬件史置發(fā)眨送標獲志位恰TI矩為1堵，向靈CP蝴U申趨請中逢斷。間若C啊PU年響應平中斷畫，則姿從0想02借3H茶單元紗開始免執(zhí)行莖串行蘭中斷帝服務駁程序彼。奧外為了活提高牧配置睡速度杯，單來片機憤程序添用匯飯編語騙言編爐寫。暮單片伍機上抽電后情使n鈴CO華NF濟IG升腳由飛低到律高復塵位待掏配置辱PL善D；遇當判旦斷到涌nS裝TA滲TU組S為熊高后法，開愉始從倒外部啄FL貨AS暑H存奧儲器旁取數(shù)肌據(jù)串恭行移哈位。巡配置茫過程掙中，串查詢服CO膜NF件_D緣ON醉E。針一旦棕為高悟，配第置完盯成，渠但還袍要送舌40鋸個D乞CL頂K脈蛋沖，戶PL攤D才呢能進淚入用略戶工繡作狀堤態(tài)。亡卸災賭仰用戶墓設計籮PL茅D程段序經(jīng)櫻MA箭XP襪LU吸S逃鋼II蜓或Q越UA呀RT招US貧編譯吐后將鋒產(chǎn)生驅(qū)后綴熄后為器.s剪of棗的S在RA廚M目譜標文好件。齒該文轎件含紗有除暢配置撓數(shù)據(jù)斗以外除的控塞制字爪符，途不能躲直接冒寫入磚到P街LD壁中去刊，需包要利守用軟畜件的陸編程鉆文件隊轉(zhuǎn)換角功能舊將文和件轉(zhuǎn)膀換成頃.r國bf撲（R灘aw險志Bi劈na怕ry棋燒Fi壞le賄）十預六進指制文本件。搏把.腫rb悟f文護件燒亦寫到否存儲判器中蘋，單銳片機曠通過掠MO久VX誓指令秘讀入百后，里串行姿移位躺到P幼LD儉?；筒糠掷蝍s句m語院言源何程序淡如下南：鳳NC金ON痕FI品G將丹BI爹T拴摩P1列.5血CO鍵NF梯DO而NE凍崖BI守T槍乳P.關6群NS斑TA效TU座S養(yǎng)樣BI謝T炎紹P1逗.7救OR那G郊桑00當0h……侵CL騰R霉御SM斬0常CL納R芒批SM搞1地臨；S淹M0這，S鋪M1筐為0減，串銀口工厘作于規(guī)方式環(huán)0牲CL劣R霞盆SM疊2畏懂；串富口波蜂特率送為f片os曉c/絕4徑CL鋪R產(chǎn)柄RE帖N頃AN顯L徒購8E境H，墳#0惠f8蹲h愁肚；地厚址8泛EH辜是C補KC糧ON昌單元偶，M攪D0出、M萌D1燕、M免D2騙清0然CL報R鏈蹈EA鉤WJ睛RE減ST手AR凍T：濕CL烏R騾廣NC金ON雁FI窄G豆SE熱TB貸體NC笛ON斤FI俯G梅陷；上慧升沿施復位鎖PL余D聚WA低IT疏：J警NB胳豆NS滋TA冶TU蝕S，盞WA尺IT撤毀；N籌ST繳AT蜘US依為高敢，可項進行坐配置鑄WJ宏PE炊IZ永HI充：M燈OV牢陶P1煉，C立OU絨NT粉ER館3哨MO瞧V滲皮DP濫H，業(yè)CO敵UN難TE散R2萄MO吩V絮浮DP罩L，倦CO待UN容TE更R1潑得；配性置數(shù)念據(jù)大藍，需忽3個線單元題作地惜址記擔數(shù)須MO唱VX系涂A，惰@D瞇PT襲A鵝MO披V權僚SB饒UF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