摘? 要: 介紹基于SRAM的可重配置" title="可重配置">可重配置CPLD的原理,通過對(duì)多種串行配置的比較,提出了由單片機(jī)和FLASH存儲(chǔ)器組成的串行配置方式" title="配置方式">配置方式,并從系統(tǒng)復(fù)雜度、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了比較和分析。?
??? 關(guān)鍵詞: 復(fù)雜可編程邏輯器件" title="可編程邏輯器件">可編程邏輯器件? 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器? 被動(dòng)串行" title="被動(dòng)串行">被動(dòng)串行?
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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" title="上電">上電后在最短的時(shí)間內(nèi)完成配置而進(jìn)入正常工作狀態(tài),是軟件設(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(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(jìng)爭(zhēng)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(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可以看成一個(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)多個(gè)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+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(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。?
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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。?
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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(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)。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。?
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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)行串行口中斷服務(wù)程序。?
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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)的PLD程序經(jīng)MAXPLUSⅡ或QUARTUS編譯后將產(chǎn)生后綴名為.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)換功能將該文件轉(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 P1.6?
??? 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,@DPTR?
??? 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(gè)?DCLK時(shí)鐘?
??? DJNZ R0,WJEND?
??? HERE:?? 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。?
參考文獻(xiàn)?
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2 候伯亨,顧 新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì).西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999?
3 蔡美琴,張為民,沈新群,張榮娟. MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用.北京:高等教育出版社,1992?
4 APPLICATION NOTE 116 OF CONFIGURING APEX20K,FLEX10K&FLEX6000 DEVICES.12.1999,VER 1.02 FROM ALTERA WEB SITE