基于單片機的復(fù)雜可編程邏輯器件快速配置方法

1、    基于單片機的復(fù)雜可編程邏輯器件快速配置方法        劉曉明 王 軍 謝明欽 時間:2008年11月17日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘? 要:? 關(guān)鍵詞:?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

2、現(xiàn),為系統(tǒng)設(shè)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(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-Circuit Reconfigurability)。?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器(EPROM)和電可擦除只讀存儲器(

3、EEPROM)方式,如GAL系列、EPF7064、EPF7128等。由于其結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)模小,只能完成簡單的數(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。?采用這種結(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爭力的CPLD器件,即靈活的邏輯單元陣列FLEX(Flexible Logic Element Matrix)系列產(chǎn)品。相對于其它一些廠家的FP

4、GA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(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可以看成一個有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(jié)果,并把結(jié)果事先存入查找表。這樣,當多個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(yīng)的內(nèi)容,然后將其輸出即可。?2 可編

5、程邏輯器件的配置原理?首先在開發(fā)軟件MAX+PLUS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(shè)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(fù)配置PLD器件。當電路設(shè)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

6、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)(Configuration Mode),將編程數(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備;最后是用戶狀態(tài)(User Mode),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(Join

7、t Test Action Group)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(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?。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

8、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(shè)計?用單片機配置PLD,可以使用普通輸入輸出口或串行口。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

9、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(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個機器周期。與普通單片機相比,可

10、使配置時間大為縮短。WINBOND78E58單片機內(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(shè)計中,擴展了一片WINBOND29C040 FLASH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。?3.2 軟件設(shè)計?在軟件編程時,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

11、鐘。當一字節(jié)數(shù)據(jù)寫入串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF時,就開始發(fā)送。在此期間,發(fā)送控制器送出移位信號,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)和移位時鐘脈沖。RXD、TXD時序如圖3。由圖3可知,它可以用來模擬配置時序。發(fā)送完一字節(jié)數(shù)據(jù)后,硬件置發(fā)送標志位TI為1,向CPU申請中斷。若CPU響應(yīng)中斷,則從0023H單元開始執(zhí)行串行口中斷服務(wù)程序。?為了提高配置速度,單片機程序用匯編語言編寫。單片機上電后使nCONFIG腳由低到高復(fù)位待配置PLD;當判斷到nSTATUS為高后,開始從外部FLASH存儲器取數(shù)據(jù)串行移位。配置過程中,查詢CONF_DONE。一旦為高,配置完

12、成,但還要送40個DCLK脈沖,PLD才能進入用戶工作狀態(tài)。?用戶設(shè)計的PLD程序經(jīng)MAXPLUS或QUARTUS編譯后將產(chǎn)生后綴名為.sof的SRAM目標文件。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)換功能將該文件轉(zhuǎn)換成.rbf(Raw Binary File)十六進制文件。把.rbf文件燒寫到存儲器中,單片機通過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 P1.6? NSTATUS? BIT P1.7? ORG 000h? ? CLR SM0? C

13、LR 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,可進行配置? ?WJPEIZHI:MOV P1,COUNTER3? MOV DPH,COUNTER2? MOV DPL,COUNTER1? ;配置數(shù)據(jù)大,需3個單元作地址記數(shù)? MOVX A,DP

14、TR? MOV SBUF,A? ;串行移位? NOP ? NOP ? ?;采用填充2個空指令,正好使一個字節(jié)發(fā)送完成,可發(fā)送下一字節(jié)? INC COUNTER1? ;地址加? MOV A,COUNTER1? JB CONFDONE,WJEND1? CJNE A,#0,WJPEIZHI? INC COUNTER2? MOV A,COUNTER2? CJNE A,#0,WJPEIZHI? INC COUNTER3? LJMP WJPEIZHI?WJEND1:MOV R0,#60?WJEND:MOV A,#55H? ?MOV SBUF,A? ;由此產(chǎn)生40個?DCLK時鐘? DJNZ R0,WJEND? HERE:? LJMP HERE? ;配置完成,進入用戶工作模式? 使用OTP(One Time Programming)器件配置CPLD具有一定的冒險性,一次簡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。被動串行微處理器(Passive Serial With Processor)配置方式以EEPROM為基礎(chǔ),允許對這些存儲器進行多次編程,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存儲器能確