基于CPLD的串并轉(zhuǎn)換和高速USB通信設(shè)計(jì)

　　可編程邏輯器件(PLD)是20世紀(jì)70年代在ASIC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種劃時(shí)代的新型邏輯器件。自PLD器件問世以來，制造工藝上采用TTL、CMOS、ECL及靜態(tài)RAM技術(shù)，器件類型有PROM、EPROM、E2PROM、FPLA、PAL、GAL、PML及LCA等。

　　PLD在性能和規(guī)模上的發(fā)展，主要依賴于制造工藝的不斷改進(jìn)，高密度PLD是VLSI集成工藝高度發(fā)展的產(chǎn)物。

　　80年代末，美國(guó)ALTERA和XILINX公司采用EECMOS工藝，分別推出大規(guī)模和超大規(guī)模的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列器件(FPGA)。這種芯片在達(dá)到高集成度的同時(shí)，所具有的應(yīng)用靈活性和多組態(tài)功能是以往的LSI/VLSI電路無法比擬的。

　　自從跨入90年代以來，可編程邏輯器件CPLD/FPGA得到了飛速發(fā)展，向高集成度、高速度和低價(jià)位方向不斷邁進(jìn);不僅具有電擦除特性，而且出現(xiàn)了邊緣掃描及在線編程等高級(jí)特性;其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，可用于狀態(tài)機(jī)、同步、譯碼、解碼、計(jì)數(shù)、總線接口、串并轉(zhuǎn)換等很多方面，而且在信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用也活躍起來。使用CPLD可以提高系統(tǒng)集成度、降低噪聲、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性并降低成本。

　　本文主要介紹ATMEL公司的CPLD芯片ATF1508AS的特點(diǎn)及應(yīng)用。ATF1508AS是利用ATMEL成熟的電擦除技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能、高密度的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)，與ALTERA公司的EPM7000系列引腳完全兼容;可以將EPM7000的POF文件轉(zhuǎn)換為適合ATF1508AS的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JEDEC編程文件，下載到ATF1508AS芯片中。

　　1ATF1508AS的特點(diǎn)

　　ATF1508AS是利用ATMEL成熟的電擦除技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能、高密度的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。它有128個(gè)邏輯宏單元和最大100個(gè)輸入，能很容易地集成一系列TTL、SSI、MSI、LSI和傳統(tǒng)PLD的邏輯功能。ATF1508AS的增強(qiáng)型路由開關(guān)矩陣增加了可用的門數(shù)和設(shè)計(jì)改變時(shí)引腳鎖定的成功率，這是非常重要的。ATF1508AS有96個(gè)雙向I/O引腳和4個(gè)輸入引腳。這4個(gè)輸入引腳也可以用于全局控制信號(hào)、全局寄存器時(shí)鐘、全局復(fù)位和全局輸出允許。

　　128個(gè)宏單元中的每一個(gè)都產(chǎn)生一個(gè)隱藏的反饋回路到全局總線，每一個(gè)輸入引腳、I/O引腳也都匯入全局總線。每個(gè)邏輯塊的開關(guān)矩陣從全局總線中選擇40個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，每一個(gè)宏單元也產(chǎn)生一個(gè)返送邏輯項(xiàng)到局部總線。宏單元之間的級(jí)聯(lián)邏輯可以快速有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。ATF1508AS包括八個(gè)這樣的邏輯鏈，每一個(gè)都能通過扇入最多40個(gè)乘積項(xiàng)實(shí)現(xiàn)邏輯項(xiàng)求和。

　　ATF1508AS是在系統(tǒng)編程(ISP)器件。它用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4腳JTAG接口(IEEE標(biāo)準(zhǔn)1149.1)，完全與JTAG的邊界掃描描述語言(BSDL)兼容。ISP允許器件不用從印刷電路板上拿走就可編程;除簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程外，ISP也允許通過軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

　　ATF1508AS的引腳保持電路提供對(duì)所有輸入和I/O引腳的設(shè)置。當(dāng)任何引腳驅(qū)動(dòng)到高電平或低電平，緊接著引腳被懸空時(shí)，引腳將保持先前的高電平或低電平狀態(tài)。這種電路防止沒有用到的輸入和I/O線懸空而成為中間的電壓值，這會(huì)導(dǎo)致不必要的功耗和系統(tǒng)噪聲。引腳保持電路去除了對(duì)外部上拉電阻的需要和直流功耗。

　　ATF1508AS的加密特性可以保護(hù)ATF1508AS的設(shè)計(jì)內(nèi)容。兩個(gè)字節(jié)(16位)的用戶信號(hào)可被用戶存取，能存放工程名、部件號(hào)、版本或日期等，而且用戶信號(hào)的存取不受加密熔絲的狀態(tài)影響。

　　ATF1508AS具有上電復(fù)位特性。在上電期間，所有的I/O引腳將為三態(tài)，直到VCC到達(dá)上電電壓，這樣可防止在上電期間發(fā)生總線競(jìng)爭(zhēng)。ATF1508AS的寄存器設(shè)計(jì)成在上電時(shí)復(fù)位，從VCC上升到VRST后的微小的延時(shí)，所有的寄存器將復(fù)位到低電平，輸出狀態(tài)要根據(jù)緩沖器的極性設(shè)置。這種特性對(duì)于狀態(tài)機(jī)的初始化是比較關(guān)鍵的。

　　2ATF1508AS的宏單元

　　ATF1508AS的宏單元如圖1所示。它的宏單元非常靈活，足以支持高復(fù)雜邏輯功能并且高速工作。宏單元包括五個(gè)部分：乘積項(xiàng)和乘積項(xiàng)選擇多路復(fù)用器、或/異或/級(jí)聯(lián)邏輯、觸發(fā)器、輸出選擇和使能、邏輯陣列輸入。沒有用到的宏單元可由編譯器禁止以降低功耗。

　　(1)乘積項(xiàng)和乘積項(xiàng)選擇矩陣

　　每一個(gè)宏單元有5個(gè)乘積項(xiàng)，每個(gè)乘積項(xiàng)作為它的輸入從全局總線和局部總線接收所有信號(hào)。乘積項(xiàng)選擇矩陣(PTMUX)按需分配這5個(gè)乘積項(xiàng)到宏單元的邏輯門，也負(fù)責(zé)分配控制信號(hào)。乘積項(xiàng)選擇矩陣的編程是由設(shè)計(jì)編譯器決定的，編譯器將選擇優(yōu)化的宏單元配置。

　　(2)或/異或/級(jí)聯(lián)邏輯

　　ATF1508AS的邏輯結(jié)構(gòu)是為有效地支持所有的邏輯而設(shè)計(jì)的。在一個(gè)宏單元內(nèi)，所有的乘積項(xiàng)可以被布進(jìn)或門，產(chǎn)生一個(gè)5輸入的與/或求和項(xiàng)。通過鄰近的宏單元扇入額外的乘積項(xiàng)，可以擴(kuò)展到40個(gè)乘積項(xiàng)而只有很小的延時(shí)。宏單元的異或門允許有效地實(shí)現(xiàn)比較和算術(shù)功能，其中異或門的一個(gè)輸入來自或運(yùn)算的求和項(xiàng)，另一個(gè)輸入可以是一個(gè)乘積項(xiàng)或一個(gè)固定的高電平或低電平。對(duì)于組合邏輯輸出，固定電平允許極性選擇;對(duì)于時(shí)序邏輯，固定電平允許利用反演規(guī)則(摩根定律的推論)化簡(jiǎn)乘積項(xiàng)。異或門也可以用于仿真T型和JK型觸發(fā)器。

　　(3)觸發(fā)器

　　ATF1508AS的觸發(fā)器有非常靈活的數(shù)據(jù)和控制功能。觸發(fā)器的輸入可以來自于異或門、一個(gè)單獨(dú)的乘積項(xiàng)或直接由I/O口輸入。選擇單獨(dú)的乘積項(xiàng)允許在一個(gè)組合邏輯輸出宏單元內(nèi)生成一個(gè)隱藏的寄存器反饋(這個(gè)特性是由fitter軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的)。除D、T、JK和SR類型外，ATF1508AS的觸發(fā)器還可配置為鎖存器。在這種模式中，當(dāng)時(shí)鐘為高時(shí)，數(shù)據(jù)通過;當(dāng)時(shí)鐘為低時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存。

　　時(shí)鐘信號(hào)可以是全局CLK信號(hào)(GCK)和一個(gè)單獨(dú)的乘積項(xiàng)。觸發(fā)器在時(shí)鐘的上升沿改變狀態(tài)。當(dāng)GCK信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，宏單元的一個(gè)乘積項(xiàng)可以選擇作為時(shí)鐘允許信號(hào)。當(dāng)使用時(shí)鐘使能功能時(shí)，使能信號(hào)(乘積項(xiàng))為低時(shí)，所有的時(shí)鐘邊沿將被忽略。觸發(fā)器的異步復(fù)位信號(hào)(AR)可以是全局復(fù)位信號(hào)(GCLEAR)、一個(gè)乘積項(xiàng)或不使用。AR也可以是GCLEAR和一個(gè)乘積項(xiàng)的邏輯或輸出。異步置位信號(hào)(AP)可以是一個(gè)乘積項(xiàng)或不使用。

　　(4)輸出選擇和使能

　　ATF1508AS宏單元的輸出可以選擇為寄存器型和組合型。

　　隱藏的反饋信號(hào)可以是組合或寄存器信號(hào)而不管輸出是組合型還是寄存器型。輸出使能多路復(fù)用器(MOE)控制輸出使能信號(hào)。如果是簡(jiǎn)單的輸出操作，任何緩沖器都可以永久使能。如果引腳用作輸入，緩沖器也可以永久禁止。在這種配置下，所有的宏單元資源仍然可用，包括隱藏的反饋信號(hào)、擴(kuò)展器和級(jí)聯(lián)邏輯。每一個(gè)宏單元的輸出使能信號(hào)都可以選擇一個(gè)全局輸出使能信號(hào)。該器件有6個(gè)全局輸出使能信號(hào)(OE)。

　　(5)邏輯陣列輸入

　　邏輯陣列輸入包括全局總線/開關(guān)矩陣和返送總線：

　　全局總線/開關(guān)矩陣

　　全局總線包括所有的輸入和I/O引腳信號(hào)以及所有128個(gè)宏單元的隱藏反饋信號(hào)。每個(gè)邏輯塊的開關(guān)矩陣將全局總線的所有信號(hào)作為其輸入。在軟件的控制下，這些信號(hào)中最多可以有40個(gè)被選擇作為邏輯塊的輸入。

　　返送總線

　　每一個(gè)宏單元可以產(chǎn)生一個(gè)返送乘積項(xiàng)。這個(gè)信號(hào)連接到局部總線上，并且對(duì)16個(gè)宏單元有效，它是宏單元一個(gè)乘積項(xiàng)的反極性。每個(gè)局部總線的16個(gè)返送項(xiàng)允許產(chǎn)生高扇入求和項(xiàng)(最多21個(gè)乘積項(xiàng))，而只有很小的延時(shí)。

　　3設(shè)計(jì)軟件支持

　　ATMEL公司提供了CPLD的設(shè)計(jì)軟件，而且很多第三方的工具軟件也支持ATF1508AS的設(shè)計(jì)，可以用多種高級(jí)描述語言和格式進(jìn)行邏輯描述，如CUPL、ABEL、VHDL等。由于ATF1508AS與ALTERA公司的EPM7000系列是完全引腳兼容的，因此可以使用ALTERA公司的MAXPLUSII軟件。它能進(jìn)行VHDL語言的編譯和綜合，使用方便，功能強(qiáng)大。MAXPLUSII綜合后產(chǎn)生適合ALTERA的CPLD編程的POF文件，使用POF2JED軟件(ATMEL公司提供)，就可將POF文件轉(zhuǎn)換為適合ATF1508AS的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JEDEC編程文件，下載到ATF1508AS芯片中。

　　4器件編程

　　ATF1508AS器件是利用4腳JTAG協(xié)議在系統(tǒng)編程(ISP)的。ATMEL提供了ISP硬件(下載電纜)和軟件，以允許從PC對(duì)ATF1508AS進(jìn)行編程。若要允許ISP編程支持"自動(dòng)測(cè)試裝置(ATE)"向量，必須通過ATMEL的ISP軟件生成串行向量格式(SVF)文件，也可轉(zhuǎn)換為除SVF外的其它ATE測(cè)試格式。ATF1508AS器件也可以用標(biāo)準(zhǔn)的第三方編程器來編程，這時(shí)JTAGISP口可以被禁止從而允許這四個(gè)額外的I/O引腳用于邏輯功能。

　　ATF1508AS還有一個(gè)特性就是如果由于任何原因編程過程被中斷，則器件將被鎖定以防止輸入和I/O引腳被驅(qū)動(dòng)。在這種狀態(tài)下，輸入和I/O引腳缺省下為高阻狀態(tài)。在編程器件時(shí)，輸入和I/O引腳也將為高阻狀態(tài)。此外，引腳保持電路設(shè)置在器件編程期間將保持以前的狀態(tài)。ATF1508AS器件出廠時(shí)被初始化為已擦除狀態(tài)，可以直接用來ISP編程。

　　5應(yīng)用實(shí)例

　　(1)應(yīng)用ATF1508AS進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換

　　本系統(tǒng)應(yīng)用ATMEL公司的ATF1508AS進(jìn)行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集中，用到Crystal半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的24位高精度Σ-△模/數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5321/CS5322組件。該組件最終輸出字長(zhǎng)為24位的2的補(bǔ)碼格式的串行數(shù)字信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)可以方便與單片機(jī)的接口。串并轉(zhuǎn)換可采用移位寄存器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)實(shí)現(xiàn)6通道24位采樣，若采用移位寄存器，則需要8位移位寄存器，共3×6=18片，另外還要用幾片譯碼器。這樣，會(huì)使芯片數(shù)量大增，占用大片電路板面積，使系統(tǒng)的體積增大。本系統(tǒng)使用ATF1508AS來實(shí)現(xiàn)6通道24位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，可將大部分?jǐn)?shù)字邏輯設(shè)計(jì)(包括組合邏輯和時(shí)序邏輯)集成在一個(gè)芯片內(nèi)，大幅減少芯片數(shù)量，減小系統(tǒng)體積。

　　由于ATF1508AS內(nèi)部有128個(gè)宏單元，而且24位串并轉(zhuǎn)換需要24個(gè)移位寄存器，因此不能同時(shí)進(jìn)行6通道的串并轉(zhuǎn)換，只能分時(shí)復(fù)用。本系統(tǒng)分3次進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換2個(gè)通道，等待單片機(jī)讀取2個(gè)通道的并行數(shù)據(jù)后再進(jìn)行剩下的轉(zhuǎn)換。部分串并轉(zhuǎn)換VHDL程序如下(硬件描述語言是VHDL，軟件是ALTERA公司的MAXPLUSⅡ軟件和ATMEL公司的POF2JED軟件，下載軟件是ATMEL公司的ATMISP，下載電纜是ATMEL公司的專用電纜)：

　　(2)應(yīng)用ATF1508AS進(jìn)行高速USB通信

　　USB是近年來應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，具有使用方便、速度快、連接靈活、支持熱插拔等特點(diǎn)。USB1.1協(xié)議定義在高速下12Mb/s、低速下1.5Mb/s的傳輸速度。若要達(dá)到高速12Mb/s(相當(dāng)于近1MB/s)的速度，就要大約1μs傳輸1個(gè)字節(jié)。但由于USB的控制傳輸、錯(cuò)誤檢測(cè)以及單片機(jī)本身速度的限制，很難達(dá)到這么高的速度，因此，必須采用DMA方式才能達(dá)到真正的高速傳輸，使用CPLD就可以實(shí)現(xiàn)類似DMA方式。單片機(jī)負(fù)責(zé)解釋USB的控制傳輸，當(dāng)要進(jìn)行從外存取數(shù)送到USB接口芯片時(shí)，單片機(jī)讓出總線，由CPLD完成該工作。CPLD產(chǎn)生外存的讀取時(shí)序和地址、片選信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生USB接口芯片的寫時(shí)序和地址、片選信號(hào)，這樣就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)外存數(shù)據(jù)到USB接口芯片的工作，而且速度很快，不需要單片機(jī)干預(yù)。以下給出RAM的讀取時(shí)序、地址信號(hào)和USB接口芯片寫時(shí)序的VHDL程序片斷：

　　結(jié)束語

　　CPLD器件的優(yōu)勢(shì)在于縮短開發(fā)生產(chǎn)周期，現(xiàn)場(chǎng)靈活性好，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，其集成度越來越高，速度越來越快，價(jià)格也逐漸降低，因此市場(chǎng)發(fā)展很快。ATMEL公司的ATF1508AS是高性能、高密度的復(fù)雜可編程邏輯器件，使用方便，具有很高的性價(jià)比，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。