基于CPLD的串并轉(zhuǎn)換和高速USB通信設(shè)計(jì)

　　摘要：CPLD可編程技術(shù)具有功能集成度高、設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)周期短、成本低等特點(diǎn)。介紹基于ATMEL　公司的CPLD芯片ATF1508AS設(shè)計(jì)的串并轉(zhuǎn)換和高速USB及其在高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：CPLD 串并轉(zhuǎn)換 USB

　　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，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。

　　1 ATF1508AS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個邏輯宏單元和最大100個輸入，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)改變時引腳鎖定的成功率，這是非常重要的。ATF1508AS有96個雙向I/O引腳和4個輸入引腳。這4個輸入引腳也可以用于全局控制信號、全局寄存器時鐘、全局復(fù)位和全局輸出允許。

　　128個宏單元中的每一個都產(chǎn)生一個隱藏的反饋回路到全局總線，每一個輸入引腳、I/O引腳也都匯入全局總線。每個邏輯塊的開關(guān)矩陣從全局總線中選擇 40個獨(dú)立的信號，每一個宏單元也產(chǎn)生一個返送邏輯項(xiàng)到局部總線。宏單元之間的級聯(lián)邏輯可以快速有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。ATF1508AS包括八個這樣的邏輯鏈，每一個都能通過扇入最多40個乘積項(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所有輸入和I/O引腳的設(shè)置。當(dāng)任何引腳驅(qū)動到高電平或低電平，緊接著引腳被懸空時，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。兩個字節(jié)(16位)的用戶信號可被用戶存取，能存放工程名、部件號、版本或日期等，而且用戶信號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)生總線競爭。ATF1508AS的寄存器設(shè)計(jì)成在上電時復(fù)位，從VCC上升到VRST后的微小的延時，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。這種特性對于狀態(tài)機(jī)的初始化是比較關(guān)鍵的。

　　2 ATF1508AS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。宏單元包括五個部分：乘積項(xiàng)和乘積項(xiàng)選擇多路復(fù)用器、或/異或/級聯(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

　　每一個宏單元有5個乘積項(xiàng)，每個乘積項(xiàng)作為它的輸入從全局總線和局部總線接收所有信號。乘積項(xiàng)選擇矩陣(PTMUX)按需分配這5個乘積項(xiàng)到宏單元的邏輯門，也負(fù)責(zé)分配控制信號。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個乘積項(xiàng)而只有很小的延時。宏單元的異或門允許有效地實(shí)現(xiàn)比較和算術(shù)功能，其中異或門的一個輸入來自或運(yùn)算的求和項(xiàng)，另一個輸入可以是一個乘積項(xiàng)或一個固定的高電平或低電平。對于組合邏輯輸出，固定電平允許極性選擇;對于時序邏輯，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)允許在一個組合邏輯輸出宏單元內(nèi)生成一個隱藏的寄存器反饋(這個特性是由fitter軟件自動實(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)時鐘為高時，數(shù)據(jù)通過;當(dāng)時鐘為低時，數(shù)據(jù)鎖存。

　　時鐘信號可以是全局CLK信號(GCK)和一個單獨(dú)的乘積項(xiàng)。觸發(fā)器在時鐘的上升沿改變狀態(tài)。當(dāng)GCK信號作為時鐘信號時，宏單元的一個乘積項(xiàng)可以選擇作為時鐘允許信號。當(dāng)使用時鐘使能功能時，使能信號(乘積項(xiàng))為低時，所有的時鐘邊沿將被忽略。觸發(fā)器的異步復(fù)位信號(AR)可以是全局復(fù)位信號(GCLEAR)、一個乘積項(xiàng)或不使用。AR也可以是GCLEAR和一個乘積項(xiàng)的邏輯或輸出。異步置位信號(AP)可以是一個乘積項(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。隱藏的反饋信號可以是組合或寄存器信號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。如果是簡單的輸出操作，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、擴(kuò)展器和級聯(lián)邏輯。每一個宏單元的輸出使能信號都可以選擇一個全局輸出使能信號。該器件有6 個全局輸出使能信號(OE)。