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基于單片機(jī)的復(fù)雜可編程邏輯器件快速配置方法
摘要：介紹基于SRAM的可重配置CPLD的原理，通過(guò)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，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 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 被動(dòng)串行
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(lái)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(kāi)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(lèi)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(lái)，ALTERA公司一直致力于CPLD的開(kāi)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(lái)說(shuō)，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(guò)GDF原理圖或VHDL語(yǔ)言描述了一個(gè)邏輯電路后，CPLD開(kāi)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(kāi)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(guò)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)
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