用單片機配置CPLD器件

ALTERA公司的可編程序邏輯器件APEX20K、FLEX10K和FLEX6000雖應用廣泛，但由于其內部采用SRAM存儲配置數據，每次系統上電時，必須用配置芯片對其進行配置，只有在配置正確的情況下，系統才能正常工作。配置芯片是一個能產生配置時序的ROM，分為一次編程型和可擦除型兩種，一次編程型芯片只能寫入一次，不適合開發階段反復調試和修改，可擦除型芯片價格昂貴且擦寫次數有限(100次左右)，增加了開發成本。而且，由于ALTERA公司提供的配置芯片容量有限，對于容量很大的可編程邏輯器件，需要一片以上的配置芯片組成菊花鏈形進行配置，這無疑加大了設計復雜度和開發成本。
目前，在可編程邏輯器件的開發階段多采用可擦寫的配置芯片，例如EPC2LC20，最終產品采用不可擦寫的配置芯片，例如EPC1441PC8。至今還沒有低成本的可擦寫配置芯片出現，而我們采用單片機與外部串行EEROM組成的配置板可實現對一次編程型和可擦除型配置芯片的無縫替代。它可以代替不同型號、不同容量芯片，可實現反復擦寫(1000K次)且用戶無須增加任何附加電路(實現無縫替代)，并支持多電壓配置。

PS配置方式分析
配置方式分為主動、被動以及邊界掃描配置方式。我們主要討論被動配置方式，被動配置方式又可分為被動串行(PS)、被動異步串行(PSA)、被動同步并行(PPS)和被動異步并行(PPA)。無論哪種方式均是由配置器件控制配置時序，并在控制信號的作用下向目標器件傳送串行/并行數據流。不同的配置方式有不同的配置時序，可針對不同系列的CPLD器件。
對于FLEX10系列芯片，比較常用的是采用PS方式進行配置，PS方式配置時的管腳及控制信號的功能如下：
MSEL1, MSEL0： 選擇配置方式。均接地，為PS方式。
CONF_DONE： 此信號需經1K電阻上拉。配置過程中，10K電阻將此信號拉低,成功配置完畢后,芯片釋放端口，由上拉電阻將其電平抬高。
nSTATUS： 配置狀態的監測信號。此信號需經1K電阻上拉。配置過程中，出現低電平表明配置過程出現錯誤，需重新配置。
DATA0：串行配置數據流的輸入。
DCLK：串行配置的時鐘輸入,用于鎖存外部數據。
NCONFIG：啟動配置的信號。
被動串行工作過程：當NCONFIG產生下降沿脈沖時啟動配置過程。在DCLK出現上升沿時，芯片將一位數據傳入內部,直至所有數據都被移入。在配置過程中,系統需要實時監測,一旦出現錯誤，NSTATUS被拉低,系統必須能識別這個信號,并重新啟動配置過程。配置數據全部正確的移入芯片內部后，CONF_DONE信號跳變為高,此后，DCLK必須再提供10個周期的時鐘，確保芯片被正確初始化，進入用戶工作模式。時序圖如圖1。

配置文件的異同
用ALTERA的MAX+PLUS II或Qnaitus開發工具對設計項目進行編譯后，會產生幾種配置或編譯文件，用于不同配置方式的配置系統。而對于不同系列的目標器件，配置數據的大小也不同。每種文件都可以從另外一種文件生成，搞清楚各種文件的異同對于上電配置是非常關鍵的。
* SRAM目標文件(.Sof)：用于PS方式，直接配置目標器件，文件中前81字節為頭信息，為ASIIC代碼記錄用戶的使用信息。其它文件都是從SOF文件中生成的，在數據流的格式和用途上有所區別。
*編程目標文件(.pof)：用作配置文件裝入配置器件(如EPC2、EPC1、EP1441)中。
*二進制文件(.rbf)：包含全部配置數據，用于微處理器做配置時的數據流，rbf 文件決定了配置該器件所需數據量的大小。
*文本文件(.Ttf)：包含全部配置數據，用于微處理器做配置時的數據流。Ttf文件存放了最原始的配置數據,即數據不含有任何附加的文件格式(頭尾標識字節),可以直接復制到單片機程序最后,用偽指令DB做成數據表TAB，配合指令MOV DPTR,#TAB和MOVC A,@A+DPTR 進行查表取數據。
* HEX文件(.hex)： Intel 16進制格式下為ASCII文件。包含全部配置數據，用于微處理器做配置時的數據流。第一行為７個字節的頭信息，每一行開頭４個字節，結尾1個字節，為標識字節，中間部分與*.ttf的數據相同，為有用的配置數據。最后一行是４個字節的尾信息。

用單片機配置的設計思路
和實現
把配置管腳與單片機的I/O口(如P1口)相連，對單片機編程仿真PS方式配置時序，由于配置數據的數據量較大，可將其存入外部ROM，在這里選用ATMEL的AT24C256串行EEPROM，體積小(8PIN)存儲量大(256K bit)，可重復擦寫1000K次以上。
在實際使用中，把配置板插在PS方式下載線的十針插頭上，所以配置板的電源由目標板提供，由于不同的系統采用的電壓不同，所以要求配置板必須可以適應多電壓。所以要求我們選取的單片機和串行EEPROM必須支持多電壓工作。
在配置過程中，單片機必須嚴格控制信號的時序。nCONFIG的啟動低脈沖寬度至少為2ms。
DCLK的第一個上升沿在nCONFIG的上升沿后延遲5ms。DCLK的周期至少為60ms。
以同樣原理還可以同時配置多個目標器件,原理圖如圖3。
第一個器件的信號nCEo,在配置完畢后跳變為低,從而激活第二個器件。所有待配置器件的CONF_DONE需連接在一起,使所有器件同時初始化完畢,同時進入用戶模式。

設計優化
實驗過程中我們用80C51系列的單片機，但它體積大,不適合代替專用芯片用于設計開發的產品中，而且80C51單片機不支持多電壓運行。綜合考慮后，我們選用MSP430系列的F1121型單片機，它是一種FLASH型超低功耗16位單片機，20個管腳，表貼封裝，體積非常小，內部具有數控晶振,看門狗定時器, 不用附加任何外圍電路即可工作，有效的節省了配置電路板的面積，且在體積減小的同時資源卻比80C51單片機豐富，帶有3個捕捉/比較寄存器的16位定時器，2個具有中斷功能的8位并行端口,4KB ROM, 256B RAM。F1121單片機支持多電壓工作，可以使配置板適應不同的電壓。F1121的FLASH型主存儲器，通過JTAG控制器可以實現程序代碼的下載，實現運行控制和對現場進行觀察與修改，方便、直觀。

結語
我們最終設計的配置板PCB尺寸為2cm×3cm，根據要配置的CPLD的型號(即容量)來選取容量適中的EEPROM，由于MSP430單片機和EEPROM工作電壓范圍很寬，配置板可以支持5V和3.3V系統的配置。通過我們對Altera不同型號芯片和不同電壓系統的試驗，我們開發的配置板完全可以在不改動原有電路的基礎上對Altera的配置器件進行無縫替代。目前，已有很多人使用過我們的配置板，對于不同型號的芯片和不同電壓的系統都達到了成功配置。■

參考文獻：
1. ALTERA Digital Library 2000 Version 6.
2. MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機 北京航天航空大學出版社 胡大可.

圖1 PS方式配置時序圖

圖2 配置單個器件

圖3 配置多個器件