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用CPLD實(shí)現(xiàn)單片機(jī)讀寫模塊
摘要：介紹實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與Xilinx公司XC9500系列可編程邏輯器件的讀寫邏輯功能模塊的接口設(shè)計(jì)，以及Xilinx公司的XC9500系列可編程邏輯器件的開發(fā)流程。關(guān)鍵詞：復(fù)雜可編程邏輯電路微處理器在系統(tǒng)編程現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列
1概述
CPLD（復(fù)雜可編程邏輯電路）是一種具有豐富的可編程I/O引腳的可編程邏輯器件，具有在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點(diǎn)；不但可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能。把CPLD應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，同單片機(jī)結(jié)合起來，更能體現(xiàn)其在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點(diǎn)。CPLD同單片機(jī)接口，可以作為單片機(jī)的一個(gè)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)所要求的功能。例如，實(shí)現(xiàn)常用的地址譯碼、鎖存器、8255等功能；也可實(shí)現(xiàn)加密、解密及擴(kuò)展串行口等單片機(jī)所要求的特殊功能。實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性，也提高了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的性能。
CPLD（復(fù)雜可編程邏輯電路）是一種具有豐富的可編程I/O引腳的可編程邏輯器件，具有在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點(diǎn)；不但可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能。把CPLD應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，同單片機(jī)結(jié)合起來，更能體現(xiàn)其在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點(diǎn)。CPLD同單片機(jī)接口，可以作為單片機(jī)的一個(gè)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)所要求的功能。例如，實(shí)現(xiàn)常用的地址譯碼、鎖存器、8255等功能；也可實(shí)現(xiàn)加密、解密及擴(kuò)展串行口等單片機(jī)所要求的特殊功能。實(shí)現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性，也提高了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的性能。
2Xilinx公司的可編程邏輯器件
Xilinx公司的XC9500系列可編程邏輯器件是一款高性能、有特點(diǎn)的可編程邏輯器件。它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從結(jié)構(gòu)上看，它包含三種單元：宏單元、可編程I/O單元和可編程的內(nèi)部連線。它的主要特點(diǎn)是：
①高性能。在所有可編程引腳之間pin-pin延時(shí)5ns；系統(tǒng)的時(shí)鐘速度可達(dá)到100MHz。
②容量范圍大。Xilinx公司的XC9500系列可編程邏輯器件的容量范圍為36～288個(gè)宏單元；可用系統(tǒng)門為800～6400個(gè)。
③5V在系統(tǒng)可編程。可以編程10000次。
④具有強(qiáng)大的強(qiáng)腳鎖定能力。
⑤每個(gè)宏單元都有可編程低功耗模式。
⑥沒有用的引腳有編程接地能力。
Xilinx的XC9500系列可編程邏輯器件的主要性能如表1所列。
3CPLD同單片機(jī)接口設(shè)計(jì)
CPLD同單片機(jī)接口原理如圖2所示。
CPLD同單片機(jī)接口設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采用Atmel公司的AT89C52，CPLD采用Xilinx公司的XC95216。該CPLD芯片結(jié)構(gòu)及性能見圖1和表1。AT89C52通過ALE、CS、RD、WE、P0口（數(shù)據(jù)地址復(fù)用）同XC95216芯片相連接。
表1XilinxXC9500t系列器件
項(xiàng)目XC9536XC9572XC95108XC95144XC95216XC95288寄存器/個(gè)3672108144216288可用門數(shù)/個(gè)80016002400320048006400宏單元數(shù)/個(gè)3672108144216288fPD/ns57.57.57.51010tSU/ns3.54.54.54.56.06.0tCO/ns4.04.54.54.56.06.0fCNT/MHz100125125125111.1111.1fSYSTEM/MHz10083.383.383.366.766.7
注：fCNT=16位計(jì)數(shù)器最高工作頻率；fSYSTEM=整個(gè)系統(tǒng)的最高工作效率。
ALE：地址鎖存信號(hào)。
CS：片選信號(hào)。
RD：讀信號(hào)。
WR：寫信號(hào)。
AD0～AD7：數(shù)據(jù)地址復(fù)用信號(hào)。
本例的設(shè)計(jì)思想是，在XC95216設(shè)置兩個(gè)控制寄存器，通過單片機(jī)對(duì)兩個(gè)控制寄存器的讀寫來完成對(duì)其它過程的控制。
XC95216設(shè)置的兩個(gè)控制寄存器，可以作內(nèi)部寄存器，也可以直接是映射為I/O口。
圖2XC9516同單片機(jī)接口原理圖
4CPLD同單片機(jī)接口設(shè)置結(jié)果
本例中，使用Xilinx公司提供的FundationISE4.2i+Modelsim5.5f軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的源文件模塊如下：
/**************************
//MCU和XC95216接口程序
//目的：MCU讀寫XC95216
/**************************/
modulemcurw(MCU_DATA,ALE,CS,RD,WE,CONREG1,CONREG2);
inout[7:0]MCU_DATA;//單片機(jī)的地址數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)
output[7:0]CONREG1，CONREG2；//內(nèi)部控制寄存器
inputALE;//單片機(jī)的地址鎖存信號(hào)
inputCS;//單片機(jī)的片選信號(hào)
inputRD;//單片機(jī)的讀信號(hào)
inputWE;//單片機(jī)的寫信號(hào)
reg[7:0]LAMCU_DATA;//內(nèi)部控制寄存器
reg[7:0]ADDRESSREG;//內(nèi)部地址鎖存寄存器
reg[7:0]CONREG1;//內(nèi)部控制寄存器
reg[7:0]CONREG2;//內(nèi)部控制寄存器
assignMCU_DATA=RD?8'bzzzzzzzz:LAMCU_DATA;
initial//寄存器初始化
begin
LAMCU_DATA<=0；
ADDRESSREG<=0;
CONREG1<=0；
CONREG2<=0；
end
always@(negedge ALE
begin
ADDRESSREG<=MCU_DATA;//地址鎖存
End
always@(posedge WE
begin
if(!CS&&ADDRESSREG[0]==0)）LAMCU_DATA
<=CONREG1；//從地址為0的CONREG1寄存器讀數(shù)據(jù)
elseif(!CS&&(ADDRESSREG[0]==1))LAMCU_DATA<=CONREG2;
//從地址為1的CONREG2寄存器讀數(shù)據(jù)
elseLAMCU_DATA<=8'bzzzzzzzz;
end
else
LAMCU_DATA<=8'bzzzzzzzz;
End
Endmodule
使用Modelsim5.5f仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。圖中ALE、CS、RD、WE、MCU_DATA是測(cè)試激勵(lì)源信號(hào)，代表AT89C52接口信號(hào)；CONREG1和CONREG2的內(nèi)部寄存器；ADDRESSREG是內(nèi)部地址鎖存寄存器。
圖3CONREG1寫過程圖4CONREG1讀過程
圖3是CONREG1寫過程。首先，在ALE信號(hào)的下降沿，鎖存MCU_DATA的數(shù)據(jù)到ADDRESSREG內(nèi)部地址鎖存寄存器。然后，在WE信號(hào)的上升沿，把MCU_DATA（0XAA）的數(shù)據(jù)鎖存到寄存器CONREG1。
圖4是CONREG1讀過程。首先，在ALE信號(hào)的下降沿，鎖存MCU_DATA（0X00）的數(shù)據(jù)到ADDRESSREG內(nèi)部地址鎖存寄存器。然后，在RD信號(hào)的低電平期間，把MCU_DATA（0XAA）的數(shù)據(jù)鎖存到寄存器CONREG1。
從圖3和圖4可以看出，對(duì)CONREG1寄存器的讀、寫過程完全滿足進(jìn)序要求，CONREG2的讀寫過程同CONREG1一樣，也完全滿足時(shí)序要求，實(shí)現(xiàn)了期望的功能。
結(jié)語
本文實(shí)現(xiàn)CPLD與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)是筆者設(shè)計(jì)的高速采樣設(shè)備的一部分，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證完全正確。簡(jiǎn)單地修改該模塊，筆者已成功地將其應(yīng)用于多個(gè)CPLD或FPGA與單片機(jī)接口的項(xiàng)目中。
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