基于單片機(jī)的CPLD/FPGA被動(dòng)串行下載配置的實(shí)現(xiàn)

1引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發(fā)展。推動(dòng)該潮流迅猛發(fā)展的引擎就是日趨進(jìn)步和完善的高密度現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件設(shè)計(jì)技術(shù)。高密度現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）能夠?qū)⒋罅窟壿嫻δ芗捎谝粋€(gè)單片IC之中，對(duì)基于E2PROM（或Flash Memory）工藝的器件，配置數(shù)據(jù)在掉電后不會(huì)丟失，可以直接采用ByteBlaster并口下載電纜對(duì)他們進(jìn)行配置，但基于該架構(gòu)的器件的集成度較低，一般在10萬(wàn)門(mén)以下；然而對(duì)基于SRAM工藝的器件，配置數(shù)據(jù)在器件掉電后會(huì)丟失，但基于該架構(gòu)的器件的集成度相對(duì)較高，一般在1萬(wàn)門(mén)以上。

由于當(dāng)前項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中所需使用的可編程邏輯器件的集成度要求越來(lái)越高，基于SRAM工藝的器件得到越來(lái)越廣泛的使用，那么此時(shí)如何將配置數(shù)據(jù)成功地寫(xiě)入目標(biāo)器件，并且保證其在掉電再上電后能夠自動(dòng)恢復(fù)配置數(shù)據(jù)，成為電子設(shè)計(jì)工程師能否正確使用基于SRAM工藝的器件必須掌握的一項(xiàng)技術(shù)。

針對(duì)基于SRAM工藝的器件的下載配置問(wèn)題，本文介紹采用AT89S2051單片機(jī)配合串行E2PROM存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)CPLD/FPGA器件的被動(dòng)串行（PS）模式的下載配置。

2系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)的硬件電路由AT89S2051單片機(jī)、AT24C256串行E2PROM，MAX232串行接口電路、復(fù)位及去耦合電路和被配置CPLD/FPGA器件組成，如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī) 單片機(jī)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S2051單片機(jī)，該芯片與MCS51系列單片機(jī)兼容。內(nèi)含：2 kB Flash E2PROM，128 B RAM，15根I/O引線(xiàn)，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)全雙工串行口和1個(gè)精密模擬電壓比較器等。

（2）串行E2PROM 由于基于SRAM工藝的可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）的配置數(shù)據(jù)在掉電后會(huì)丟失，需要外加存儲(chǔ)器以保存配置數(shù)據(jù)。為了盡量減小電路板的面積，選用8 腳的串行E2PROM AT24C256。AT24C256是ATMEL公司生產(chǎn)的2線(xiàn)制串行電可擦寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器，具有自定時(shí)寫(xiě)周期特性，容量32 kB。該器件特別適合于對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)合。

（3）通信接口采用MAXIM公司生產(chǎn)的串行接口芯片MAX232將PC機(jī)與下載配置電路連接起來(lái)。下載配置電路通過(guò)該串口接收PC機(jī)下傳的命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作再將處理結(jié)果上傳到PC機(jī)。MAX232是通用+5 V供電的多通道RS232總線(xiàn)收發(fā)器，尤其適合在電池供電的系統(tǒng)中應(yīng)用。

3.2硬件原理圖

硬件原理如圖2所示。上電后，單片機(jī)首先調(diào)用子程序完成如下操作：將掉電前已經(jīng)存儲(chǔ)在AT24C256串行E2PROM中的器件配置文件讀出；采用被動(dòng)串行模式（PS）將該文件配置到CPLD/FPGA器件中,從而實(shí)現(xiàn)器件掉電再上電后自動(dòng)恢復(fù)配置數(shù)據(jù)的功能。然后，單片機(jī)就會(huì)工作在動(dòng)態(tài)停機(jī)狀態(tài)，在此過(guò)程中，單片機(jī)可以響應(yīng)串口中斷。

如果單片機(jī)響應(yīng)串口中斷并且接收到一個(gè)數(shù)據(jù)，那么單片機(jī)首先判斷該數(shù)據(jù)所表示的命令類(lèi)型，若是配置命令，單片機(jī)就進(jìn)入配置狀態(tài)。在配置狀態(tài)下，單片機(jī)一邊接收配置數(shù)據(jù)，一邊將這些數(shù)據(jù)寫(xiě)到CPLD/FPGA器件中；若是寫(xiě)E2PROM命令，單片機(jī)就進(jìn)入寫(xiě)E2PROM狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)會(huì)一邊接收配置數(shù)據(jù)，一邊將這些數(shù)據(jù)寫(xiě)到配置用E2PROM中（注意此時(shí)這些數(shù)據(jù)并沒(méi)有被配置到CPLD/FPGA器件中）；若是讀E2PROM命令，單片機(jī)就進(jìn)入讀E2PROM并配置CPLD/FPGA器件狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)會(huì)一邊讀E2PROM中的配置數(shù)據(jù)，一邊將讀出的配置數(shù)據(jù)寫(xiě)到CPLD/FPGA器件中。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件包括：主程序、下載配置子程序、寫(xiě)E2PROM子程序、讀E2PROM子程序及通用延時(shí)子程序構(gòu)成。其軟件流程圖如圖3所示。