摘要： 介紹了用CPLD輔助設(shè)計(jì)在嵌入系統(tǒng)中進(jìn)行曲MPU復(fù)雜邏輯功能設(shè)計(jì)的總體方案，給出了通過(guò)對(duì)XC95144中復(fù)用控制寄存器進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)MPU復(fù)位邏輯和CPM協(xié)議切換的實(shí)現(xiàn)方案和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： MPU CPM CPLD 復(fù)位邏輯性I/O口 MPC850

1 引言

近年來(lái)，微處理器（MPU）在嵌入式系統(tǒng)研發(fā)中所占地位越來(lái)越重要，很多應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)MPU的處理速度、集成密度也提出了更高的要求。Power PC系列MPU是Motorola公司推出的面向嵌入式應(yīng)用的專用MPU，它在片內(nèi)集成了基于RISC體系的微處理器的內(nèi)核和支持多種通信協(xié)議的通信處理器（CPM），具有強(qiáng)大的通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理能力，可廣泛應(yīng)用于通信和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中。CPLD（Complex Programmable Logic Device）是一種復(fù)雜的用戶可編程邏輯器件，和FPGA相比，由于采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，易于預(yù)測(cè)延時(shí)，從而使電路仿真更加準(zhǔn)確。近年來(lái)，由于采用先進(jìn)的集成工藝和大批量生產(chǎn)，CPLD器件成本不斷下降，集成密度、速度和性能大幅度提高，一個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)，再加上使用權(quán)方便的開發(fā)工具，因此使用權(quán)CPLD器件可以極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，給設(shè)計(jì)修改帶來(lái)很大方便。

嵌入式系統(tǒng)常用MPU和CPLD聯(lián)合設(shè)計(jì)。現(xiàn)以PowerPC系列MPC850和 Xilinx 公司的XC95144XL為例來(lái)介紹實(shí)現(xiàn)MPU功能的CPLD輔助設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上，MPC850的外部復(fù)位和通信模塊（CPM）的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占用重要地位，也是調(diào)試硬件中最容易出問(wèn)題的環(huán)節(jié)。本文將對(duì)MPC850的外部復(fù)位邏輯和通信模塊的復(fù)用作一探討，并給出了這兩部分的CPLD邏輯實(shí)現(xiàn)方法。

2 MPC850的復(fù)位邏輯和CPLD實(shí)現(xiàn)

2．1 復(fù)位邏輯

MPC850內(nèi)部的復(fù)位時(shí)鐘具有復(fù)位控制邏輯，以及決定復(fù)位起因、同步和相應(yīng)復(fù)位的邏輯模塊。概括起來(lái)，MPC850總共具有以下復(fù)位源：

*上電復(fù)位；

*外部硬復(fù)位；

*內(nèi)部硬復(fù)位：包括失鎖、軟件看門狗復(fù)位、校驗(yàn)停復(fù)位、調(diào)試口硬復(fù)位；

*JTAG復(fù)位；

*外部軟復(fù)位；

*內(nèi)部軟件復(fù)位：指調(diào)試口軟復(fù)位。

設(shè)計(jì)中需要用戶參與的主要是上復(fù)位和外部硬復(fù)位。其中上電復(fù)位的復(fù)位過(guò)程如下：

（1） 產(chǎn)生上電復(fù)位信號(hào)PORESET

（2） PORESET有效，CPU配置SCCR寄存器，PORESET保持時(shí)間至少在3μs以上。

（3） PORESET無(wú)效后，CPU采用MODCK（時(shí)鐘模式配置）并鎖存，同時(shí)初始化時(shí)鐘。

（4） CPU驅(qū)動(dòng)HRESET和SRESET信號(hào)512個(gè)時(shí)鐘周期，512周期結(jié)束后，如果RSCONF信號(hào)接低，則CPU從數(shù)據(jù)總線上采樣配置數(shù)據(jù)，并將內(nèi)部產(chǎn)生 的HRESET和SRESET信號(hào)置為無(wú)效；如果RSCONF信號(hào)接高，則CPU按內(nèi)部缺省值進(jìn)行配置。

（5） 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)16個(gè)時(shí)鐘周期，然后采樣外部硬復(fù)位信號(hào)和外部軟復(fù)位信號(hào)，如果存在職效的外部硬復(fù)位信號(hào)或軟復(fù)位信號(hào)，則計(jì)數(shù)器清0，并重新計(jì)數(shù)，否則跳出，執(zhí)行正常操作。

系統(tǒng)中硬件復(fù)位主要用于在CPU感知外部硬復(fù)位信號(hào)有效后，產(chǎn)生內(nèi)部硬復(fù)位信號(hào)，然后按照上述上電復(fù)位步驟從第4步開始執(zhí)行。其時(shí)序圖如圖1所示。

可見，相比一些常用的MPU器件，MPC850的復(fù)位邏輯比較復(fù)雜，而且對(duì)復(fù)位控制的時(shí)序有嚴(yán)格的要求。通常的設(shè)計(jì)需要較多的外部器件來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯控制，而采用一片CPLD則只需編寫簡(jiǎn)單的代碼就可以了，且易于調(diào)度。本應(yīng)用于設(shè)計(jì)采用 Xilinx 公司的XC95144XL進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)。

2．2 基于CPLD的實(shí)現(xiàn)方法。

設(shè)計(jì)時(shí)，將MPC850的復(fù)位信號(hào)（上電復(fù)位poreset、硬復(fù)位hreset、軟復(fù)位sreset）連接到XC95144XL的連接方法如圖2所示。

該方案中CPLD的上電復(fù)位設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

（1） 系統(tǒng)上電后，上電復(fù)位poreset由XC95144XL產(chǎn)生，為了使MPC850得到可靠的復(fù)位，這個(gè)延遲時(shí)間通常比要求的3μs要大一些。MODCK配置可一直固定。

（2） poreset 信號(hào)無(wú)效后（為高電平），MPC850會(huì)采樣MODCK并驅(qū)動(dòng)HRESET信號(hào)512個(gè)時(shí)鐘周期。需要注意的是這個(gè)時(shí)間由MPC850控制的，CPLD不作邏輯實(shí)現(xiàn)。然后MPC850開始采樣總線上的32bit配置數(shù)據(jù)。這時(shí)不能馬上驅(qū)動(dòng)總線數(shù)據(jù)線，應(yīng)延遲若干時(shí)鐘周期后驅(qū)動(dòng)，經(jīng)應(yīng)用證明延遲8個(gè)時(shí)鐘周期以上可以滿足要求。

（3） 驅(qū)動(dòng)總線配置數(shù)據(jù)16個(gè)時(shí)鐘周期后把總線置為高阻態(tài)，上電復(fù)位結(jié)束。

手動(dòng)復(fù)位的邏輯實(shí)現(xiàn)主要考慮的是對(duì)按鍵的復(fù)位作抗抖動(dòng)處理，以防止多次短暫接觸對(duì)系統(tǒng)造成反復(fù)復(fù)位，可以在代碼中加入一個(gè)RS觸發(fā)順來(lái)實(shí)現(xiàn)抗抖。

本設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，限于篇幅代碼省略。需要注意的是：在總線數(shù)據(jù)配置時(shí)，不能采用順序執(zhí)行語(yǔ)句，而只有應(yīng)用并發(fā)語(yǔ)句執(zhí)行才能得到正確的配置。如：

d <="ZZZZZZZZZZZZZZZZ"when flag=true else"0000011010100010";

--512個(gè)時(shí)鐘周期后，再等待8個(gè)時(shí)鐘周期將初始配置字推至數(shù)據(jù)線

--采用條件代入語(yǔ)句的并發(fā)描述

而如果采用順序描述語(yǔ)句：

if flag =true then

d <="ZZZZZZZZZZZZZZZZ "

else

d <="0000011010100010";

則配置字將得不到正確讀取。這一點(diǎn)需要特別注意。

3 MPC850通信的CPLD實(shí)現(xiàn)

3．1 MPC850 CPM的應(yīng)用

MPC850的CPM模塊支持7個(gè)串行通道，其中包括：2個(gè)串行管理控制器SMC（支持通用異步收發(fā)UART、透明模式和通用電路接口）、2個(gè)串行通信控制器SCC（支持Ethernet、ATM、HDLC和其它多種通信協(xié)議）、1個(gè)USB信道、1個(gè)I2C端口和1個(gè)串行外圍接口SPI。

在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)設(shè)置模式寄存器的相關(guān)控制位來(lái)決定各個(gè)通道應(yīng)該采用的協(xié)議。各信道的接口通過(guò)MPC850的并行I/O口PA、PB和PC與外設(shè)進(jìn)行連接，這些I/O口對(duì)應(yīng)的協(xié)議需要對(duì)端口的引腳配置寄存器（pin assignment register）和數(shù)據(jù)方向寄存器（data direction register）進(jìn)行配置，但由于端口數(shù)量的限制，所有的通信協(xié)議不可能被同時(shí)支持，因此受I/O口限制，若干協(xié)議不能同時(shí)被使用。故此，在使用這些I/O口，就存在復(fù)用和互斥的問(wèn)題。表1給出了各I/O口和通信協(xié)議的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 MPC850端口復(fù)用一覽表

3．2 復(fù)用邏輯的CPLD實(shí)現(xiàn)

將MPC850需要復(fù)用的I/O端口全部連接到XC95144XL的可編程I/O口，然后將外部連接的各通信端口（RS232、以太網(wǎng)1、以太網(wǎng)2等）也連接到XC95144XL的可編程I/O口。這樣，當(dāng)MPC850需要切換到某個(gè)外部端口時(shí)，除設(shè)置內(nèi)部相關(guān)寄存器外，通過(guò)數(shù)據(jù)和地址線控制XC95144XL內(nèi)部的復(fù)位控制寄存器就可以完成I/O口的切換。余下的工作就是了解復(fù)用控制寄存器的結(jié)構(gòu)和CPLD的讀寫時(shí)序。這樣，通過(guò)對(duì)各位的設(shè)置就能開關(guān)相應(yīng)I/O口。圖3和圖4分別是CPLD的讀寫時(shí)序和復(fù)用控制寄存器的位定義結(jié)構(gòu)圖。

4 總結(jié)

本文介紹了MPU和CPLD在嵌入式設(shè)計(jì)中的綜合應(yīng)用方法，同時(shí)提供了一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方案，隨著VLSI集成度和功能的不斷增強(qiáng)，MPU和CPLD的結(jié)合應(yīng)用遠(yuǎn)不止文中提到的這些。隨著先進(jìn)集成工藝和大批量生產(chǎn)的出現(xiàn)，CPLD器件的成本也不斷下降，其集成密度、速度和性能也將大幅提高。另外，其CPLD器件的設(shè)計(jì)靈活性也使得它能夠完成許多更多復(fù)雜的在片設(shè)計(jì)，從而極大地?cái)U(kuò)展了MPU的功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的易裁減特性，而這切都無(wú)穎將充分提升設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造空間。