基于SRAM的可重配置電路
[導(dǎo)讀]基于SRAM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單元來保存字的配置數(shù)據(jù)決定了PLD內(nèi)部互連和功能，改變這些數(shù)據(jù)，也就改變了器件的邏輯功能。
基于SRAM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單元來保存字的配置數(shù)據(jù)決定了PLD內(nèi)部互連和功能，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)，以便系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑵湎螺d到PLD中，從而實(shí)現(xiàn)在電路可重配置ICR（In-Circuit Reconfigurability，在電路可重配置）。 如何實(shí)現(xiàn)ICR？ALTER公司的應(yīng)用方案AN88中詳細(xì)介紹一種基于DS87C520微控制器的ISP&ICR設(shè)計(jì)方法，并鈄其源代碼放在ALTERA的網(wǎng)上，供用戶免費(fèi)下載。
作者在設(shè)計(jì)一要求具有ICR功能的電子裝置時(shí)，在詳細(xì)分析了AN88介紹的方法之后，發(fā)現(xiàn)該應(yīng)用方案中介紹的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對微控制器性能及微控制器的開發(fā)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(shè)計(jì)的PLD ICR控制電路，它和ALTERA介紹的方法相比，不但線路結(jié)構(gòu)簡潔、開發(fā)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(shí)現(xiàn)工作電壓為3.3V或5V的PLD器件的電路內(nèi)重配置。
ICR控制電路硬件原理
ICR控制電路原理圖。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(jié)的程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)的RAM、18/15個(gè)I/O、WATCHDOG、通用串行接口UART和一個(gè)硬件I2C總線控制器。P87LPC762采用的是80C51加速處理器結(jié)構(gòu)，其指令和80C51兼容，但指令的執(zhí)行速度在相同時(shí)鐘下，是標(biāo)準(zhǔn)80C51微控制器的兩倍。因它采用的是硬件I2C總線控制器節(jié)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(xié)議為I2C，容量為32K字節(jié)。在電路中，U2和U3有來存儲(chǔ)PLD的配置數(shù)據(jù)。 ICR控制電路的工作過程為：經(jīng)MAXPLUS Ⅱ編譯生產(chǎn)的PLD配置文件經(jīng)過預(yù)處理后，通過PC機(jī)的串行通訊口下載到U1中，并在U1的控制下存儲(chǔ)在EEPROM U2和U3中，U1再根據(jù)系統(tǒng)的要求通過P0.2、P0.3、P0.4、P0.6和P0.7等5個(gè)I/O口，將其存儲(chǔ)在U2和U3中的PLD配置數(shù)據(jù)下載到電路中的PLD。 因作者設(shè)計(jì)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(jié)，故電路中采用了兩片AT24C256存儲(chǔ)PLD的配置數(shù)據(jù)。如果配置的PLD是EPF10K10或EPF10K20，則只需要一片AT24C256，此時(shí)整個(gè)ICR控制電路僅僅只有兩片IC，這可以說它是目前結(jié)構(gòu)最簡單、成本最低的ICR控制電路了。讀者在應(yīng)用該電路時(shí)，可根據(jù)其PLD文件的大?。≒LD的配置文件的大小可參考ALTERR公司的應(yīng)用方案AN116）采用1～4片AT24C256。
ICR控制電路軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn) 在圖1介紹的ICR控制電路中，其存儲(chǔ)PLD配置數(shù)據(jù)的EEPROM AT24C256采用I2C串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其數(shù)據(jù)交換速度較慢（當(dāng)工作電壓為5V時(shí)，其最大I2C總線時(shí)鐘為1MHz），而PLD配置數(shù)據(jù)又比較大，通常都在數(shù)十K字節(jié)以上。因此如何提高介紹的ICR控制電路的配置速度，這將是軟件設(shè)計(jì)上的一個(gè)重點(diǎn)。 ALTERA公司生產(chǎn)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(shí)鐘的最小頻率沒有限制而應(yīng)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(shí)現(xiàn)ICR功能。是PS配置方式的時(shí)序圖。 數(shù)據(jù)從AT24C256讀出時(shí)，可采用讀當(dāng)前地址、隨機(jī)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?yàn)樵谕黄珹T24C256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(shù)據(jù)。AT24C256順序讀的時(shí)序圖。 可以看出PLD的PS配置時(shí)序圖和AT24C256順序讀時(shí)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(shù)據(jù)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(yù)處理，使其配置數(shù)據(jù)的最低位存儲(chǔ)在EEPROM的最高位上，則在配置過程中，從EEPROM I2C總線上讀出的當(dāng)前位數(shù)據(jù)正好是PS配置時(shí)需要輸入到PLD中去的當(dāng)前位，這將是提高ICR的配置速度，縮短配置時(shí)間的最有效措施，其具體過程如下： 用戶設(shè)計(jì)的PLD程序經(jīng)MAXPLUS Ⅱ的編繹后將產(chǎn)生一個(gè)后綴為.sof的SRAM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MAXPLUS Ⅱ的編程文件轉(zhuǎn)化功能使其生成一個(gè)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(jié)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(shù)據(jù)不經(jīng)任何處理，從EEPROM讀出的當(dāng)前位數(shù)據(jù)就是此時(shí)需要配置到PLD中去的當(dāng)前位數(shù)據(jù)（這是作者為什么采用時(shí)鐘頻率較慢的I2C的EEPROM，而沒有采用時(shí)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(dá)到了縮短ICR控制電路配置時(shí)間的目的。
結(jié)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(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、性價(jià)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(shè)計(jì)的，稍加屐也適用于XILINX公司的FPGA器件。這個(gè)配置電路的主要弱點(diǎn)在于配置速率較慢，只能適應(yīng)用于配置速率要求不高的應(yīng)用。 注：文中的一個(gè)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(tǒng)編程）相并列的一個(gè)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(gè)概念。
作者在設(shè)計(jì)一要求具有ICR功能的電子裝置時(shí)，在詳細(xì)分析了AN88介紹的方法之后，發(fā)現(xiàn)該應(yīng)用方案中介紹的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對微控制器性能及微控制器的開發(fā)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(shè)計(jì)的PLD ICR控制電路，它和ALTERA介紹的方法相比，不但線路結(jié)構(gòu)簡潔、開發(fā)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(shí)現(xiàn)工作電壓為3.3V或5V的PLD器件的電路內(nèi)重配置。
ICR控制電路硬件原理
ICR控制電路原理圖。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(jié)的程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)的RAM、18/15個(gè)I/O、WATCHDOG、通用串行接口UART和一個(gè)硬件I2C總線控制器。P87LPC762采用的是80C51加速處理器結(jié)構(gòu)，其指令和80C51兼容，但指令的執(zhí)行速度在相同時(shí)鐘下，是標(biāo)準(zhǔn)80C51微控制器的兩倍。因它采用的是硬件I2C總線控制器節(jié)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(xié)議為I2C，容量為32K字節(jié)。在電路中，U2和U3有來存儲(chǔ)PLD的配置數(shù)據(jù)。 ICR控制電路的工作過程為：經(jīng)MAXPLUS Ⅱ編譯生產(chǎn)的PLD配置文件經(jīng)過預(yù)處理后，通過PC機(jī)的串行通訊口下載到U1中，并在U1的控制下存儲(chǔ)在EEPROM U2和U3中，U1再根據(jù)系統(tǒng)的要求通過P0.2、P0.3、P0.4、P0.6和P0.7等5個(gè)I/O口，將其存儲(chǔ)在U2和U3中的PLD配置數(shù)據(jù)下載到電路中的PLD。 因作者設(shè)計(jì)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(jié)，故電路中采用了兩片AT24C256存儲(chǔ)PLD的配置數(shù)據(jù)。如果配置的PLD是EPF10K10或EPF10K20，則只需要一片AT24C256，此時(shí)整個(gè)ICR控制電路僅僅只有兩片IC，這可以說它是目前結(jié)構(gòu)最簡單、成本最低的ICR控制電路了。讀者在應(yīng)用該電路時(shí)，可根據(jù)其PLD文件的大?。≒LD的配置文件的大小可參考ALTERR公司的應(yīng)用方案AN116）采用1～4片AT24C256。
ICR控制電路軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn) 在圖1介紹的ICR控制電路中，其存儲(chǔ)PLD配置數(shù)據(jù)的EEPROM AT24C256采用I2C串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其數(shù)據(jù)交換速度較慢（當(dāng)工作電壓為5V時(shí)，其最大I2C總線時(shí)鐘為1MHz），而PLD配置數(shù)據(jù)又比較大，通常都在數(shù)十K字節(jié)以上。因此如何提高介紹的ICR控制電路的配置速度，這將是軟件設(shè)計(jì)上的一個(gè)重點(diǎn)。 ALTERA公司生產(chǎn)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(shí)鐘的最小頻率沒有限制而應(yīng)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(shí)現(xiàn)ICR功能。是PS配置方式的時(shí)序圖。 數(shù)據(jù)從AT24C256讀出時(shí)，可采用讀當(dāng)前地址、隨機(jī)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?yàn)樵谕黄珹T24C256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(shù)據(jù)。AT24C256順序讀的時(shí)序圖。 可以看出PLD的PS配置時(shí)序圖和AT24C256順序讀時(shí)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(shù)據(jù)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(yù)處理，使其配置數(shù)據(jù)的最低位存儲(chǔ)在EEPROM的最高位上，則在配置過程中，從EEPROM I2C總線上讀出的當(dāng)前位數(shù)據(jù)正好是PS配置時(shí)需要輸入到PLD中去的當(dāng)前位，這將是提高ICR的配置速度，縮短配置時(shí)間的最有效措施，其具體過程如下： 用戶設(shè)計(jì)的PLD程序經(jīng)MAXPLUS Ⅱ的編繹后將產(chǎn)生一個(gè)后綴為.sof的SRAM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MAXPLUS Ⅱ的編程文件轉(zhuǎn)化功能使其生成一個(gè)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(jié)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(shù)據(jù)不經(jīng)任何處理，從EEPROM讀出的當(dāng)前位數(shù)據(jù)就是此時(shí)需要配置到PLD中去的當(dāng)前位數(shù)據(jù)（這是作者為什么采用時(shí)鐘頻率較慢的I2C的EEPROM，而沒有采用時(shí)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(dá)到了縮短ICR控制電路配置時(shí)間的目的。
結(jié)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(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、性價(jià)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(shè)計(jì)的，稍加屐也適用于XILINX公司的FPGA器件。這個(gè)配置電路的主要弱點(diǎn)在于配置速率較慢，只能適應(yīng)用于配置速率要求不高的應(yīng)用。 注：文中的一個(gè)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(tǒng)編程）相并列的一個(gè)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(gè)概念。
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