|
由于SRAM的可重配置PLD（可編程邏輯器件）的出現，為系統設計者動態改變運行電路中PLD的邏輯功能創造了條件。PLD使用SRAM單元來保存字的配置數據決定了PLD內部互連和功能，改變這些數據，也就改變了器件的邏輯功能。由于SRAM的數據是易失的，因此這些數據必須保存在PLD器件以外的EPROM，EEPROM或FLASH ROM等非易失存儲器內，以便系統在適當的時候將其下載到PLD中，從而實現在電路可重配置ICR（In-Circuit Reconfigurability，在電路可重配置）。如何實現ICR？ALTER公司的應用方案AN88中詳細介紹一種基于DS87C520微控制器的ISP&ICR設計方法，并鈄其源代碼放在ALTERA的網上，供用戶免費下載。作者在設計一要求具有ICR功能的電子裝置時，在詳細分析了AN88介紹的方法之后，發現該應用方案中介紹的電路結構復雜，對微控制器性能及微控制器的開發裝置的要求和成本都較高，且只適用于工作電壓為5V的PLD電路。本文介紹的是作者設計的PLD ICR控制電路，它和ALTERA介紹的方法相比，不但線路結構簡潔、開發容易、體積小、成本低，而且只需改變ICR控制電路的電源電壓，就能實現工作電壓為3.3V或5V的PLD器件的電路內重配置。 ICR控制電路硬件原理 ICR控制電路原理圖如圖1所示。圖中的U1是ICR控制電路的核心器件，它是PHILIPS公司在1999年底推出的20引腳低成本的微控制器P87LPC762，該微控制器具有2K字節的程序存儲器、128字節的RAM、18/15個I/O、WATCHDOG、通用串行接口UART和一個硬件I2C總線控制器。P87LPC762采用的是80C51加速處理器結構，其指令和80C51兼容，但指令的執行速度在相同時鐘下，是標準80C51微控制器的兩倍。因它采用的是硬件I2C總線控制器節省大量的軟硬件資源。U2、U3是ATMEL公司的串行EEPROM AT24C256，其串行通信協議為I2C，容量為32K字節。在電路中，U2和U3有來存儲PLD的配置數據。 
ICR控制電路的工作過程為：經MAXPLUS Ⅱ編譯生產的PLD配置文件經過預處理后，通過PC機的串行通訊口下載到U1中，并在U1的控制下存儲在EEPROM U2和U3中，U1再根據系統的要求通過P0.2、P0.3、P0.4、P0.6和P0.7等5個I/O口，將其存儲在U2和U3中的PLD配置數據下載到電路中的PLD。 因作者設計電路中的PLD是ALTERA公司的ACEX系列的EP1K30，其配置文件的容量為52K字節，故電路中采用了兩片AT24C256存儲PLD的配置數據。如果配置的PLD是EPF10K10或EPF10K20，則只需要一片AT24C256，此時整個ICR控制電路僅僅只有兩片IC，這可以說它是目前結構最簡單、成本最低的ICR控制電路了。讀者在應用該電路時，可根據其PLD文件的大小（PLD的配置文件的大小可參考ALTERR公司的應用方案AN116）采用1～4片AT24C256。 ICR控制電路軟件設計要點 在圖1介紹的ICR控制電路中，其存儲PLD配置數據的EEPROM AT24C256采用I2C串行總線進行數據交換，其數據交換速度較慢（當工作電壓為5V時，其最大I2C總線時鐘為1MHz），而PLD配置數據又比較大，通常都在數十K字節以上。因此如何提高圖1介紹的ICR控制電路的配置速度，這將是軟件設計上的一個重點。 ALTERA公司生產且具有ICR功能的PLD器件有FLEX6000、FLEX10K、APEX和ACEX系列，它們的配置方式可分為PS（無源串行）、PPS（無源并行同步）、PSA（無源并行異步）、PSA（無源串行異步）和JTAG（Joint Test Action）等四種方式，在這四種方式，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用最廣泛，因此在圖1介紹的ICR控制電路中也采用PS配置方式來實現ICR功能。圖2是PS配置方式的時序圖。
數據從AT24C256讀出時，可采用讀當前地址、隨機讀和順序讀三種方式。這三種方式中，順序讀的最簡單，速度最快，因為在同一片AT24C256中，僅需要寫入一次讀命令就可以按順序從0地址開始直至讀完整片AT24C256中的全部數據。AT24C256順序讀的時序圖如圖3所示。
比較圖2和圖3，可以看出PLD的PS配置時序圖和AT24C256順序讀時序圖有很多相似之處，其唯一的差別在于：在PS配置方式中，其數據配置順序是序列的最低位最先輸入，而I2C總線讀過程則是其序列的最高位最先輸出，它們之間的輸入和輸出順序剛好相反。如果將PLD的配置文件通過一定的預處理，使其配置數據的最低位存儲在EEPROM的最高位上，則在配置過程中，從EEPROM I2C總線上讀出的當前位數據正好是PS配置時需要輸入到PLD中去的當前位，這將是提高ICR的配置速度，縮短配置時間的最有效措施，其具體過程如下： 用戶設計的PLD程序經MAXPLUS Ⅱ的編繹后將產生一個后綴為.sof的SRAM的SRAM目標文件，該文件含有除配置數據以外的控制字符，不能直接寫入到PLD中去，需要利用MAXPLUS Ⅱ的編程文件轉化功能使其生成一個后綴為.ttf的表格文本文件，該文件是不帶任何附加符號的PLD配置文件，可以直接配置到PLD中去。該文件中每一字節在下載到ICR控制電路的EEPROM之前，將D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0變換為D0 D1 D3 D4 D5 D6 D7之后再寫入EEPROM中，則在PLD配置過程中，其配置數據不經任何處理，從EEPROM讀出的當前位數據就是此時需要配置到PLD中去的當前位數據（這是作者為什么采用時鐘頻率較慢的I2C的EEPROM，而沒有采用時鐘頻率相對較快，但沒有順序讀功能的SPI接口的EEPROM的原因），從而達到了縮短ICR控制電路配置時間的目的。 結論 本文介紹了一種基于微控制器的PLD ICR控制電路，該控制電路結構簡單、占用空間小、性價比較高，適用于需要ICR功能的電子裝置中，該ICR控制電路是為配置ALTERR系列PLD器件來設計的，稍加屐也適用于XILINX公司的FPGA器件。這個配置電路的主要弱點在于配置速率較慢，只能適應用于配置速率要求不高的應用。 注：文中的一個概念是ICR（In-Circuit Reconfigurability，在電路可重配置），ICR是ALTERA提出的概念，它和目前ISP（In System Programmabled，在系統編程）相并列的一個概念與IAP（In Application re-Programmable）的意義相差不大。但筆者使用的是ALTERA的PLD，因此在文中采用了ICR這個概念。 |
