摘要：介紹實現單片機與Xilinx公司XC9500系列可編程邏輯器件的讀寫邏輯功能模塊的接口設計，以及Xilinx公司的XC9500系列可編程邏輯器件的開發流程。

關鍵詞：復雜可編程邏輯電路 微處理器 在系統編程 現場可編程門陣列

1 概述

CPLD（復雜可編程邏輯電路）是一種具有豐富的可編程I/O引腳的可編程邏輯器件，具有在系統可編程、使用方便靈活的特點；不但可實現常規的邏輯器件功能，還可實現復雜的時序邏輯功能。把CPLD應用于嵌入式應用系統，同單片機結合起來，更能體現其在系統可編程、使用方便靈活的特點。CPLD同單片機接口，可以作為單片機的一個外設，實現單片機所要求的功能。例如，實現常用的地址譯碼、鎖存器、8255等功能；也可實現加密、解密及擴展串行口等單片機所要求的特殊功能。實現嵌入式應用系統的靈活性，也提高了嵌入式應用系統的性能。

CPLD（復雜可編程邏輯電路）是一種具有豐富的可編程I/O引腳的可編程邏輯器件，具有在系統可編程、使用方便靈活的特點；不但可實現常規的邏輯器件功能，還可實現復雜的時序邏輯功能。把CPLD應用于嵌入式應用系統，同單片機結合起來，更能體現其在系統可編程、使用方便靈活的特點。CPLD同單片機接口，可以作為單片機的一個外設，實現單片機所要求的功能。例如，實現常用的地址譯碼、鎖存器、8255等功能；也可實現加密、解密及擴展串行口等單片機所要求的特殊功能。實現了嵌入式應用系統的靈活性，也提高了嵌入式應用系統的性能。]

2 Xilinx公司的可編程邏輯器件

Xilinx公司的XC9500系列可編程邏輯器件是一款高性能、有特點的可編程邏輯器件。它的系統結構如圖1所示。從結構上看，它包含三種單元：宏單元、可編程I/O單元和可編程的內部連線。它的主要特點是：

①在所有可編程引腳之間pin-pin延時最短可為5ns；系統的時鐘速度可達到100MHz。

②XC9500系列的容量范圍為36～288個宏單元

③5V在系統可編程。可以編程10000次。

④具有強大的強腳鎖定能力。

⑤每個宏單元都有可編程低功耗模式。

⑥沒有用的引腳有編程接地能力。

Xilinx的XC9500系列可編程邏輯器件的主要性能如表1所列。

表1 Xilinx XC9500系列器件

注：fCNT=16位計數器最高工作頻率；fSYSTEM=整個系統的最高工作效率。

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3 CPLD同單片機接口設計

CPLD同單片機接口原理如圖2所示。

CPLD同單片機接口設計中，單片機采用Atmel公司的AT89C52，CPLD采用Xilinx公司的XC95216。該CPLD芯片結構及性能見圖1和表1。AT89C52通過ALE、CS、RD、WE、P0口（數據地址復用）同XC95216芯片相連接。

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ALE：地址鎖存信號。

CS：片選信號。

RD：讀信號。 WR：寫信號。

AD0～AD7：數據地址復用信號。

本例的設計思想是，在XC95216設置兩個控制寄存器，通過單片機對兩個控制寄存器的讀寫來完成對其它過程的控制。

XC95216設置的兩個控制寄存器，可以作內部寄存器，也可以直接是映射為I/O口。

圖2 XC9516同單片機接口原理圖

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4 CPLD同單片機接口設置結果

本例中，使用Xilinx公司提供的Fundation ISE 4.2i+Modelsim 5.5f軟件實現設計。實現設計的源文件模塊如下：

/**************************

//MCU和XC95216接口程序

//目的：MCU讀寫XC95216

/**************************/

module mcurw(MCU_DATA,ALE,CS,RD,WE,CONREG1,CONREG2);

inout[7:0]MCU_DATA;//單片機的地址數據復用信號

output[7:0]CONREG1，CONREG2；//內部控制寄存器

input ALE; //單片機的地址鎖存信號

input CS; //單片機的片選信號

input RD; //單片機的讀信號

input WE; //單片機的寫信號

reg[7:0]LAMCU_DATA; //內部控制寄存器

reg[7:0]ADDRESSREG; //內部地址鎖存寄存器

reg[7:0]CONREG1; //內部控制寄存器

reg[7:0]CONREG2; //內部控制寄存器

assign MCU_DATA=RD?8'bzzzzzzzz:LAMCU_DATA;

initial //寄存器初始化

begin

LAMCU_DATA<=0；

ADDRESSREG<=0;

CONREG1<=0；

CONREG2<=0；

end

always@(negedge ALE)

begin

ADDRESSREG<=MCU_DATA; //地址鎖存

End

always@(posedge WE)

begin

if(!CS &&ADDRESSREG[0]= =0)） LAMCU_DATA

<=CONREG1； //從地址為0的CONREG1寄存器讀數據

else if(!CS&&(ADDRESSREG[0]= =1))LAMCU_DATA<=CONREG2;

//從地址為1的CONREG2寄存器讀數據

else LAMCU_DATA<=8'bzzzzzzzz;

end

else

LAMCU_DATA<=8'bzzzzzzzz;

End

Endmodule

使用Modelsim 5.5f仿真結果如圖3和圖4所示。圖中ALE、CS、RD、WE、MCU_DATA是測試激勵源信號，代表AT89C52接口信號；CONREG1和CONREG2的內部寄存器；ADDRESSREG是內部地址鎖存寄存器。

圖3 CONREG1寫過程 圖4 CONREG1讀過程

圖3是CONREG1寫過程。首先，在ALE信號的下降沿，鎖存MCU_DATA的數據到ADDRESSREG內部地址鎖存寄存器。然后，在WE信號的上升沿，把MCU_DATA（0XAA）的數據鎖存到寄存器CONREG1。

圖4是CONREG1讀過程。首先，在ALE信號的下降沿，鎖存MCU_DATA（0X00）的數據到ADDRESSREG內部地址鎖存寄存器。然后，在RD信號的低電平期間，把MCU_DATA（0XAA）的數據鎖存到寄存器CONREG1。

從圖3和圖4可以看出，對CONREG1寄存器的讀、寫過程完全滿足進序要求，CONREG2的讀寫過程同CONREG1一樣，也完全滿足時序要求，實現了期望的功能。

結語

本文實現CPLD與單片機接口設計是筆者設計的高速采樣設備的一部分，經實際驗證完全正確。簡單地修改該模塊，筆者已成功地將其應用于多個CPLD或FPGA與單片機接口的項目中。