基于单片机的复杂可编程逻辑器件快速配置方法

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摘要：介绍基于SRAM的可重配置CPLD的原理，通过对多种串行配置的比较，提出了由单片机和FLASH存储器组成的串行配置方式，并从系统复杂度、可靠性和经济性等方面进行了比较和分析。

    关键词：复杂可编程逻辑器件 静态随机存储器 被动串行

基于SRAM（静态随机存储器）的可重配置PLD（可编程逻辑器件）的出现，为系统设计者动态改变运行电路中PLD的逻辑功能创造了条件。PLD使用SRAM单元来保存配置数据。这些配置数据决定了PLD内部的互连关系和逻辑功能，改变这些数据，也就改变了器件的逻辑功能。由于SRAM的数据是易失的，因此这些数据必须保存在PLD器件以外的EPROM、EEPROM或FLASH ROM等非易失存储器内，以便使系统在适当的时候将其下载到PLD的SRAM单元中，从而实现在电路可重配置ICR（In-Circuit Reconfigurability）。

本文介绍笔者设计的PLD ICR控制电路，它不但线路结构简洁、开发容易、体积小、成本低，并且在图2介绍的ICR控制电路中，其存储PLD配置数据的FLASH存储器采用并行总线，交换速度较快。然而PLD配置数据较大，通常都在数十千字节以上。如何提高图2介绍的ICR控制电路的配置速度，使系统上电后的最短的时间内完成配置而进入正常工作状态，软件设计上的一个重点。
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1 基于SRAM的可重配置CPLD的结构与原理

早期的可编程逻辑器件大多采用紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）方式。如GAL系列、EPF7064、EPF7128等。由于其结构简单、规模小，只能完成简单数字逻辑功能。此后，出现了一类结构上稍复杂的基于SRAM存储器的可编程芯片，即复杂可编程逻辑器件（CPLD），它能完成各种数字逻辑功能。

采用这些结构的可编程逻辑器件有ALTERA公司的FLEX、ACEX、APEX系列，XILINX公司的Spartan、Virtex系列。多年来，ALTERA公司一直致力于CPLD的开发。近几年，该公司又推出了很有竞争力的CPLD器件，即灵活的逻辑单元阵列的FLEX（Flexible Logic Element Matrix）系列产品。相对于其它一些厂家的FPGA产品来说，ALTERA公司的FLEX系列产品有其独特之处。这主要表现在高密度、在线配置功能、高速度和连续式布线结构等方面。

查找表LUT（Look-Up-Table）是基于SRAM的可重配置PLD的一个重要组成部分，LUT本质上就是一个RAM。目前CPLD中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成个有4位地址线的16×1bit的RAM。当用户通过GDF原理图或VHDL语言描述了一个逻辑电路后，CPLD开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把结果事先存入查找表。这样，当多信信号进行逻辑运算时就等于输入一个地址进行查表，找出地址所对应的内容，然后将其输出即可。
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2 可编程逻辑器件的配置原理

首先在开发软件MAX+PLUS II的ASSIGN菜单下选择将要采用的基于SRAM的器件名称。经过编译、优化、逻辑综合、仿真等步骤达到设计要求后，软件会自动产生一个编程文件（扩展名为.SOF文件）。对于基于SRAM工艺的可编程逻辑器件（如ALTERA的所有FLEX、ACEX、APEX系列，XILINX的Sparten、Vertex系列），由于SRAM存储器的特点，掉电后数据会消失，因此在调试期间可以采用并口ByteblasteMV下载电缆多次重复配置PLD器件。当电路设计成功，调试完成后，需要将配置数据烧写固化在一个由ALTERA生产的专用EEPROM（如EPC1441）中。上电时，由这片配置EEPROM先对PLD加载数据，几十毫秒后，PLD即可正常工作。

CPLD器件的工作状态分为三种：首先是上电配置状态（Configuration Mode），将编程的数据装入CPLD器件的过程，也可称之为构造；然后是初始化状态（Initialization Mode），在配置完成后，CPLD器件复位内部各类寄存器，让I/O引脚为逻辑器件正常工作做准备；最后是用户状态（User Mode），指电路中CPLD器件正常工作时的状态。

ALTERA公司具有ICR功能的PLD器件有FLEX8000、FLEX10K、APEX和ACEX系列，它们的配置方式可分为PS、PPS和JTAG（Joint Test Action Group）等方式。PS方式因PLD与配置电路的互连最简单，对配置时钟的最小频率没有限制而应用最广泛，因此在ICR控制电路中通常采用PS配置方式来实现ICR功能。

被动串行（PS）配置方式：在该配置方式下，由ByteblasteMV下载电缆产生一个由低到高的跳变送到nCONFIG引脚脚复位PLD，然后将配置数据送到DATA0引脚，直到CONF_DONE引脚变为高电平。图1是PS配置方式的时序图。CONF_DONE变成高电平后，DCLK必须多余十个周期来初始化该器件。器件的初始化由下载电缆自动执行。在PS方式中没有握手信号，所以配置时钟的工作频率必须低于10MHz。在多器件PS配置方式中，第一片PLD的nCEO引脚级联到下一片PLD的nCE引脚。在配置完第一个器件后，nCEO输出为低，使第二个PLD器件的nCE有效，开始对第二块器件进行配置。

3 用WINBOND78E58单片机配置可编程逻辑器件

用单片机配置可编程逻辑器件与上述PS配置方式原理一致，只需模拟PS配置方式中DATA0、DCLK、nCONFIG、CONF_DONE、nSTATUS引脚的配置时序，将配置数据串行移入PLD。配置引脚的功能如表1所示。

3.1 硬件设计

用单片机配置PLD，可以使用普通

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