MCS-51單片機(jī)與CPLD/FPGA接口邏輯設(shè)計(jì)

在功能上，單片機(jī)與大規(guī)模CPLD有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。單片機(jī)具有性能價(jià)格比高、功能靈活、易于人機(jī)對話、良好的數(shù)據(jù)處理能力濰點(diǎn)；CPLD/FPGA則具有高速、高可靠以及開發(fā)便捷、規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)。以此兩類器件相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)在許多高性能儀器儀表和電子產(chǎn)品中仍將被廣泛應(yīng)用。本文就單片機(jī)與CPLD/FPGA的接口方式作一簡單介紹，希望對從事單片機(jī)和CPLD/FPGA研發(fā)的朋友能有所啟發(fā)。

單片機(jī)與CPLD/FPGA的接口方式一般有兩種，即總線方式與獨(dú)立方式，分別說明如下：

一、總線方式

單片機(jī)以總線方式與CPLD/FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)與控制信息通信有許多優(yōu)點(diǎn)。

（1）速度快。如圖一所示，其通信工作時(shí)序是純硬件行為，對于MCS-51單片機(jī)，只需一條單字節(jié)指令就能完成所需的讀／寫時(shí)序，如：　　　　

MOV @DPTR,A ;MOV A,@DPTR

圖1 總線

（2）節(jié)省CPLD芯片的I/O口線。如圖二所示，如果將圖中的譯碼器DECODER設(shè)置足夠的譯碼輸出，并安排足夠的鎖存器，就能僅通過19根o口線在FPGW與單片機(jī)之間進(jìn)行各種類型的數(shù)據(jù)與控制信息交換。

圖2 CPLD芯片I/O口線

（3）相對于非總線方式，單片機(jī)編程簡捷，控制可靠。

（4）在CPLD/FPGA中通過邏輯切換，單片機(jī)易于與SRAM或ROM接口。這種方式有許多實(shí)用之處，如利用類似于微處理器系統(tǒng)的DMA的工作方式，首先由CPLD/FPGA與接口的高速A/D等器件進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣，并將數(shù)據(jù)暫存于SRAM中，采樣結(jié)束后，通過切換，使單片機(jī)與SRAM以總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以便發(fā)揮單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

單片機(jī)與CPLD/FPGA以總線方式通信的邏輯設(shè)計(jì)，重要的是要詳細(xì)了解單片機(jī)的總線讀寫時(shí)序，根據(jù)時(shí)序圖來設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)。圖一是MCS-51系列單片機(jī)的時(shí)序圖，其時(shí)序電平變化速度與單片機(jī)工作時(shí)鐘頻率有關(guān)。圖中，ALE為地址鎖存使能信號，可利用其下降沿將低8位地址鎖存于CPLD/FPGA中的地址鎖存器（LATCH_ADDR ES）中；當(dāng)ALE將低8位地址通過P0鎖存的同時(shí)，高8位地址已穩(wěn)定建立于P2口，單片機(jī)利用讀指令允許信號PSEN的低電平從外部ROM中將指令從P0口讀入，由時(shí)序圖可見，其指令讀入的時(shí)機(jī)是在PSEN的上升沿之前。接下來，由P2口和P0口分別輸出高8位和低8位數(shù)據(jù)地址，并由ALE的下降沿將P0口的低8位地址鎖存于地址鎖存器。若需從CPLD/FPGA中讀出數(shù)據(jù)，單片機(jī)則通過指令“MOVXA，@DPTR”使RD信號為低電平，由P0口將圖二中鎖存器LATCH_IN1中的數(shù)據(jù)讀入累加器A；但若欲將累加器A的數(shù)據(jù)寫進(jìn)CPLD/FPGA，則需通過指令“MOVX ·DPTR，A”和寫允許信號WR。這時(shí)，DPTR中的高8位和低8位數(shù)據(jù)作為高、低8位地址分別向P2和P0口輸出，然后由WR的低電平并結(jié)合譯碼，將累加器A的數(shù)據(jù)寫入圖中相關(guān)的鎖存器。

二、獨(dú)立方式

與總線接口方式不同，幾乎所有單片機(jī)都能以獨(dú)立接口方式與CPLD/FPGA進(jìn)行通信，其通信的時(shí)序方式可由所設(shè)計(jì)的軟件自由決定，形式靈活多樣。其最大的優(yōu)點(diǎn)是CPLD/FPGA中的接口邏輯無需遵循單片機(jī)內(nèi)固定總線方式的讀／寫時(shí)序。CPLD/FPGA的邏輯設(shè)計(jì)與接口的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)可以分先后相對獨(dú)立地完成。事實(shí)上，目前許多流行的單片機(jī)已無總線工作方式，如89C2051、97C2051、Z84系列、PICI 6C5X系列等。

獨(dú)立方式的接口設(shè)計(jì)方法比較簡單，在此不擬做詳細(xì)介紹。下面介紹圖二所示的總線接口邏輯設(shè)計(jì)，其外部接口如圖三所示。

這是一個(gè)CPLD/FPGA與MCS-51系列單片機(jī)接口的VHDL電路設(shè)計(jì)。MCS-51以總線方式工作，例如，由8031將數(shù)據(jù)#5AH寫入目標(biāo)器件中的第一個(gè)寄存器LATCH_OUT1的批令是：　　

MOV A，#5AH　　
MOV DPTR，#6FF5H　　
MOVX @DPTR，A

當(dāng)READY為高電平時(shí)，8031從目標(biāo)器件中的寄存器LATCH_IN1將數(shù)據(jù)讀入的指令是：　　

MOV DPTR，#9F7EH　　
MOVX A，@DPTR

以上介紹了MCS-51單片機(jī)與CPLD/FPGA接口邏輯設(shè)計(jì)的兩種接口方式，希望對從事單片機(jī)和CPLD/FPGA研發(fā)的朋友能有所啟發(fā)。