基于單片機(jī)的復(fù)雜可編程邏輯器件快速配置方法

基于SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）的可重配置PLD（可編程邏輯器件）的出現(xiàn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者動(dòng)態(tài)改變運(yùn)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(guān)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FLASH ROM等非易失存儲(chǔ)器內(nèi)，以便使系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑵湎螺d到PLD的SRAM單元中，從而實(shí)現(xiàn)在電路可重配置ICR（In-Circuit Reconfigurability）。

本文介紹筆者設(shè)計(jì)的PLD ICR控制電路，它不但線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǔ)PLD配置數(shù)據(jù)的FLASH存儲(chǔ)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(shí)間內(nèi)完成配置而進(jìn)入正常工作狀態(tài)，軟件設(shè)計(jì)上的一個(gè)重點(diǎn)。

1 基于SRAM的可重配置CPLD的結(jié)構(gòu)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(chǔ)器（EPROM）和電可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）方式。如GAL系列、EPF7064、EPF7128等。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)模小，只能完成簡(jiǎn)單數(shù)字邏輯功能。此后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復(fù)雜的基于SRAM存儲(chǔ)器的可編程芯片，即復(fù)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(jié)構(gòu)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(jìng)爭(zhēng)力的CPLD器件，即靈活的邏輯單元陣列的FLEX（Flexible Logic Element Matrix）系列產(chǎn)品。相對(duì)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(dú)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(jié)構(gòu)等方面。

查找表LUT（Look-Up-Table）是基于SRAM的可重配置PLD的一個(gè)重要組成部分，LUT本質(zhì)上就是一個(gè)RAM。目前CPLD中多使用4輸入的LUT，所以每一個(gè)LUT可以看成個(gè)有4位地址線的16×1bit的RAM。當(dāng)用戶通過GDF原理圖或VHDL語言描述了一個(gè)邏輯電路后，CPLD開發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果，并把結(jié)果事先存入查找表。這樣，當(dāng)多信信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算時(shí)就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址所對(duì)應(yīng)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+PLUS II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(dá)到設(shè)計(jì)要求后，軟件會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)編程文件（擴(kuò)展名為.SOF文件）。對(duì)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(chǔ)器的特點(diǎn)，掉電后數(shù)據(jù)會(huì)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(fù)配置PLD器件。當(dāng)電路設(shè)計(jì)成功，調(diào)試完成后，需要將配置數(shù)據(jù)燒寫固化在一個(gè)由ALTERA生產(chǎn)的專用EEPROM（如EPC1441）中。上電時(shí)，由這片配置EEPROM先對(duì)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)（Configuration Mode），將編程的數(shù)據(jù)裝入CPLD器件的過程，也可稱之為構(gòu)造；然后是初始化狀態(tài)（Initialization Mode），在配置完成后，CPLD器件復(fù)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(zhǔn)備；最后是用戶狀態(tài)（User Mode），指電路中CPLD器件正常工作時(shí)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（Joint Test Action Group）等方式。PS方式因PLD與配置電路的互連最簡(jiǎn)單，對(duì)配置時(shí)鐘的最小頻率沒有限制而應(yīng)用最廣泛，因此在ICR控制電路中通常采用PS配置方式來實(shí)現(xiàn)ICR功能。

被動(dòng)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(gè)由低到高的跳變送到nCONFIG引腳腳復(fù)位PLD，然后將配置數(shù)據(jù)送到DATA0引腳，直到CONF_DONE引腳變?yōu)楦唠娖健D1是PS配置方式的時(shí)序圖。CONF_DONE變成高電平后，DCLK必須多余十個(gè)周期來初始化該器件。器件的初始化由下載電纜自動(dòng)執(zhí)行。在PS方式中沒有握手信號(hào)，所以配置時(shí)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(jí)聯(lián)到下一片PLD的nCE引腳。在配置完第一個(gè)器件后，nCEO輸出為低，使第二個(gè)PLD器件的nCE有效，開始對(duì)第二塊器件進(jìn)行配置。

3 用WINBOND78E58單片機(jī)配置可編程邏輯器件

用單片機(jī)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(shí)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(shè)計(jì)

用單片機(jī)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(gè)指令周期。一個(gè)指令給DATA0賦值，兩個(gè)指令產(chǎn)生DCLK時(shí)鐘，一個(gè)指令移位取數(shù)據(jù)。如果晶振為fosc，一個(gè)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。考慮到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(jī)。

表1 配置引腳功能說明

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表2 各種CPLD配置文件大小

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注：配置文件大小由.rbf文件決定

該單片機(jī)外接晶振最大頻率為40MHz，它在串行口方式0下波特率可設(shè)置為fosc/4。另外通過設(shè)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(gè)機(jī)器周期。與普通單片機(jī)相比，可使配置時(shí)間大為縮短。WINBOND78E58單片機(jī)內(nèi)部擁有32KB FLASH ROM.由配置文件數(shù)據(jù)表2可知，只需一片單片機(jī)就可以對(duì)EPF10K20系列以下的PLD進(jìn)行配置了。本系統(tǒng)中使用了一片APEX20K300E，因此在硬件電路設(shè)計(jì)中，擴(kuò)展了一片WINBOND29C040 FLASH存儲(chǔ)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。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件編程時(shí)，使用了串行口移位寄存器輸入輸出方式。本系統(tǒng)只需用到輸出方式，串行數(shù)據(jù)通過RXD引腳輸出，而在TXD引腳輸出移位時(shí)鐘。當(dāng)一字節(jié)數(shù)據(jù)寫入串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF時(shí)，就開始發(fā)送。在此期間，發(fā)送控制器送出移位信號(hào)，使發(fā)送移位寄存器的內(nèi)容右移一位，直至最高位（D7位）數(shù)字移出后，停止發(fā)送數(shù)據(jù)和移位時(shí)鐘脈沖。RXD、TXD時(shí)序如圖3。由圖3可知，它可以用來模擬配置時(shí)序。發(fā)送完一字節(jié)數(shù)據(jù)后，硬件置發(fā)送標(biāo)志位TI為1，向CPU申請(qǐng)中斷。若CPU響應(yīng)中斷，則從0023H單元開始執(zhí)行串行中斷服務(wù)程序。

為了提高配置速度，單片機(jī)程序用匯編語言編寫。單片機(jī)上電后使nCONFIG腳由低到高復(fù)位待配置PLD；當(dāng)判斷到nSTATUS為高后，開始從外部FLASH存儲(chǔ)器取數(shù)據(jù)串行移位。配置過程中，查詢CONF_DONE。一旦為高，配置完成，但還要送40個(gè)DCLK脈沖，PLD才能進(jìn)入用戶工作狀態(tài)。

用戶設(shè)計(jì)PLD程序經(jīng)MAXPLUS II或QUARTUS編譯后將產(chǎn)生后綴后為.sof的SRAM目標(biāo)文件。該文件含有除配置數(shù)據(jù)以外的控制字符，不能直接寫入到PLD中去，需要利用軟件的編程文件轉(zhuǎn)換功能將文件轉(zhuǎn)換成.rbf（Raw Binary File）十六進(jìn)制文件。把.rbf文件燒寫到存儲(chǔ)器中，單片機(jī)通過MOVX指令讀入后，串行移位到PLD。

??? 部分asm語言源程序如下：

NCONFIG BIT P1.5

CONFDONE BIT P.6

NSTATUS BIT P1.7

ORG 000h

……

CLR SM0

CLR SM1 ；SM0，SM1為0，串口工作于方式0

CLR SM2 ；串口波特率為fosc/4

CLR REN

ANL 8EH，#0f8h ；地址8EH是CKCON單元，MD0、MD1、MD2清0

CLR EA

WJRESTART：CLR NCONFIG

SETB NCONFIG ；上升沿復(fù)位PLD

WAIT：JNB NSTATUS，WAIT ；NSTATUS為高，可進(jìn)行配置

WJPEIZHI：MOV P1，COUNTER3

MOV DPH，COUNTER2

MOV DPL，COUNTER1 ；配置數(shù)據(jù)大，需3個(gè)單元作地址記數(shù)

MOVX A，@DPTA

MOV SBUF，A ；串行移位

NOP

NOP ；采用填充2個(gè)空指令，正好使一個(gè)字節(jié)發(fā)送完成，可發(fā)送下一個(gè)字節(jié)

INC COUNTER1 ；地址加

MOV A，COUNTER1

JB CONFDONE，WJEND1

CJNE A，#0，WJPEIZHI

INC COUNTER2

NOV A，COUNTER2

CJNE A，#0，WJPEIZHI

INC COUNTER3

LJMP WJPEIZHI

WJEND1：MOV R0，#60

WJEND：WOV A，#55H

……

MOV SBUF，A ；由此產(chǎn)生40個(gè)DCLK時(shí)鐘

DJNZ R0，WJEND

WERE：LJMP HERE ；配置完成，進(jìn)入用戶工作模式

使用OTP（One Time Programming）器件配置CPLD具有一定的冒險(xiǎn)性，一次簡(jiǎn)單的代碼更換就可能意味著更換OTP器件，并重新開始所有的程序。被動(dòng)串行微處理器（Passive Serial With Processor）配置方式以EEPROM為基礎(chǔ)，允許對(duì)這些存儲(chǔ)器進(jìn)行多次編程，所有其它芯片都無需從已裝配的印制電路板上拆卸下來。高速讀寫周期的FLASH存儲(chǔ)器能確保1萬次編程，而且能對(duì)任何以SRAM為基礎(chǔ)的PLD下載。該方式除了在加電期間能承載配置數(shù)據(jù)外，還有許多方便之處。例如，用戶可以將多個(gè)配置文件.rbf分區(qū)編程到外部存儲(chǔ)器的未用區(qū)段，通過單片機(jī)讀取不同存儲(chǔ)區(qū)可以將可編程邏輯器件在線配置成多種不同的工作模式。