可編程邏輯器件(PLD)在工業?自動控制?信號處理和日常生活等方面都發揮著愈來愈大的作用?isp(在系統可編程)器件就是PLD中的一朵奇葩,它以其良好的系統性能?較強的設計靈活性?較高的邏輯利用率和優越的E2CMOS工藝而得到了電路設計者們的青睞?本設計就是采用Lattice公司的高密度在系統可編程芯片pLSI/ispLSI1016設計的一個通信數字信號源?設計中采用兩套地址總線(微機總線與isp總線)分時對兩片RAM進行讀寫操作,并采用不斷查詢端口的方式進行協調控制,從而產生出滿足設計要求的數字碼流?

1 isp系統介紹

1.1 概述

在系統可編程器件是近幾年來興起的一種PLD器件?所謂在系統可編程,是指在用戶自己設計的目標系統中或線路板上為重構邏輯器件進行編程或反復編程的能力?常規PLD通常是先編程后裝配,而采用isp技術的PLD則是先裝配后編程,成為產品之后還可反復編程?在系統可編程器件的出現使得當今數字電子系統設計的面貌煥然一新?采用isp技術之后硬件設計可以變得象軟件那樣靈活而易于修改,硬件的功能可以實時地加以修改或按預定程序改變組態,這不僅擴展了器件的用途,縮短了系統調試周期,而且還省卻了對器件單獨編程的環節和器件編程設備,簡化了目標設備的現場升級和維護工作?isp是美國Lattice半導體公司生產的可編程邏輯器件的專用商標,該公司生產的PLD在工藝上吸收了E2PROM的浮柵技術,并與CMOS靜態RAM相結合,開拓了能長期保持數據的E2CMOS技術?目前所有的GALpLSI/ispLSI都應用了Lattice公司的高速UltraMOS E2CMOS技術?Lattice公司已將其獨特的isp技術應用到它的高密度可編程邏輯器件(HDPLD)中,形成ispLSI系列高密度在系統可編程邏輯器件,使得isp成為新產品研制和開發的理想工具?

1.2 isp器件的特點

可編程邏輯器件的在系統編程能力必將更新人們設計?制造和維護電子系統的方法,具有如下特點:

?在系統編程允許用戶“在系統之中”編程或修改邏輯設計,而無需將器件從線路板上拆上拆下?這就加速了系統和線路板的調試過程,便于用戶在設計過程中更早地確定線路板的布局?

?當對傳統的PLD器件進行編程時,其測試?制造過程總是免不了人工處置?采用ispLSI器件之后,可以將芯片直接焊接在印刷電路板上,然后再進行編程或改寫?這就保證了調試制造過程中絕不會損傷器件的引腳?

?ispLSI器件在焊接到印刷電路板上之后,仍可毫不困難地修改其邏輯功能,于是用戶可在同一塊電路板上實現各種硬件結構?

?通過軟件重構系統,ispLSI器件的現場改寫只需從磁盤裝入或通過調制解調器送入結構文件,實現起來非常容易,而且還可實現遠距離遙控編程?

?所有ispLSI器件都為用戶提供了一個保密位來防止對片內編程模式的非法復制?保密位僅能在芯片改寫時被擦除,因而一旦被編程后就無法讀出芯片內原有的內部結構?

此外ispLSI器件也可以用市售的通用邏輯編程器來進行編程?

1.3 pLSI/ispLSI1000系列的結構及特點

pLSI/ispLSI邏輯塊的基本單位是萬能邏輯塊(GLB),這種萬能邏輯塊由四個輸出邏輯宏單元(OLMC)組成?每個GLB中有18個輸入?一個可編程的與/或/異或陣列和4個輸出?GLB的輸入來自于集總布線區(GRP Global Routing Pool)和直通輸入?所有GLB的輸出都送至集總布線區,因此可使它們與器件中其它GLB的輸入相連,如圖1所示?

由8個GLB?16個I/O單元和兩個直通輸入互相連接而構成一個大塊(Megablock)?這8個GLB的輸出通過輸出布線區(ORP The Output Routing Pool)被連至16個通用I/O單元?每一個大塊共享一個輸出使能控制信號?

pLSI/ispLSI器件由于邏輯輸入端多,邏輯塊劃分較細膩而優越于一般的可編程邏輯器件?它之所以設計靈活,邏輯利用率高,是由于它具有靈活的布線資源和可供選擇的宏單元時鐘,還有輸入寄存器和豐富的使能信號?pLSI/ispLSI器件編程速度快,出廠前100%經過測試,因此在系統編程能力?質量?可靠性和生產率方面都領先于一般的PLD?對于pLSI/ispLSI1016而言,它包括96個寄存器?4個直通輸入?3個直通輸入時鐘和一個集總布線區?isp1016具有5V在系統編程和在系統監測能力?isp1016共包括2個大塊,內含16個GLB?該器件同時具有32個I/O單元和4個直通輸入,它們都直接連至I/O引腳?每一個I/O單元都可以單獨編程為組合輸入?寄存器輸入?鎖存器輸入?輸出或是具有三態控制的雙向I/O引腳?

2 系統設計原理及框圖

2.1 設計原理

本設計的任務是設計一個數字信號源?要求碼長可變;數據格式是可以符合任何一種建議的數據格式;碼速率可調且在1~10Mbps之間?為此,在設計之初采用了以下方案,框圖如圖2所示,其中八分頻電路,可置數的地址計數器電路及并/串轉換電路由isp器件編程實現?為了實現碼速在1~10Mbps之間可調,特采用DDS器件產生出1~10MHz的正弦波信號,經過整形及濾波電路而形成方波,即主控時鐘CLK信號?主控時鐘經過8分頻電路而形成CLK0信號,它成為可置數的地址計數器的計數脈沖?同時CLK0信號經過反相成為并/串轉換電路的置入(采樣)脈沖信號fsa,而CLK 信號經過反相成為并/串轉換電路的時鐘信號fcp,這樣CLK信號的速率就決定了所產生的數據碼流的速率?在EPROM存儲器中存放著符合一定數據格式的數據?這樣由可置數的地址計數器循環地長度可變地讀出EPROM中的數據(以byte為單位),經過并/串轉換電路便產生了碼長可變?碼速可變的數字碼流?

但是,考慮到EPROM編程及擦寫的過程比較繁瑣,數據不易改寫,靈活性及通用性較差,因此,經過比較決定采用第二種方案?其框圖如圖3所示?

在第二種方案中,isp器件仍由編程實現八分頻電路?地址譯碼器電路及并/串轉換電路的功能?圖3中,端口電路的作用主要是通過不斷查詢B15的狀態,從而控制兩片RAM的讀寫進程?控制電路主要包括地址線選擇控制,存儲器片選控制,讀寫及輸出使能端控制以及總線驅動控制等?設計中采用兩片RAM進行分時讀寫操作,這樣做的目的是使數據信號的設計具有更大的靈活性?當微機對RAM1進行寫操作的同時,由isp器件中的地址計數譯碼對RAM2進行讀操作,讀出的數據經isp內并/串轉換部分而輸出數據信號OUT;同樣地,當微機對RAM2進行寫操作的同時,由isp器件中的地址計數譯碼對RAM1進行讀操作,讀出的數據經isp內并/串轉換部分而輸出數字信號流OUT?如此往復循環,從而方便靈活地產生出符合設計要求的數字碼流?

由于設計中采用兩套地址總線進行分時讀寫操作,而分時讀寫操作的切換主要是利用ispLSI1016中地址計數譯碼電路的最高位—B15?在整個工作期間,兩片RAM都應處于被選中的狀態,即片選信號均應為低電平?當微機對一片RAM進行寫操作時,要保證ispLSI1016對另一片RAM進行讀操作,每一片RAM都有2個雙向數據收發器74LS245與之相連接?其中一個固定為輸入→輸出,對應為ispLSI1016從RAM中讀出數據;另外一個固定為輸出→輸入,對應為微機向RAM寫數據?

由于寫操作是通過編程由微機控制的,速度較快,而讀操作是由ispLSI1016控制的,速度較慢,這就很有可能出現讀寫操作的混亂?為了防止這種情況的發生,在設計中增加了端口電路部分?我們可以在系統程序中增加一段不斷查詢端口的語句,而標志位就為B15(因為對一片RAM而言,B15信號電平的改變就意味著讀寫狀態的改變)?當查詢到標志位發生改變時,立即進行下一輪讀寫;當查詢到標志位不變時,繼續查詢,直至其發生改變為止,然后進行下一輪讀寫?

對于ispLSI1016的時鐘輸入,可以使用DDS?直接數字頻率合成 構造一個可變頻率的正弦波產生電路,然后再進行波形變換而形成一個方波脈沖信號?但是為了簡單起見,也可使用一個4MHz的晶體和基本門電路搭成一個具有一定頻率穩定度的方波產生電路?

前面已經提到過ispLSI1016由編程實現八分頻電路?地址計數譯碼電路?并/串轉換電路的功能?其中八分頻電路可以看作是一個3位的計數器,它的進位信號就是外部輸入時鐘的八分頻信號;地址計數譯碼電路也可以看作是一個16位的地址計數器,它的低15位就是作為輸出的地址信號,它的最高位B15是做為控制信號來使用的;并/串轉換電路可以看作是一個八位的移位寄存器,它的移出信號就是所要產生的數據碼流信號?

2.2 系統程序設計

系統程序主要完成以下功能:由微機將符合一定建議數據格式的數據寫入RAM中,查詢端口的狀態并完成相應的操作,結束系統的工作等?系統程序流程圖如圖4所示?

3 isp編程設計

3.1 在系統編程原理

ispLSI器件的編程是由片內狀態機控制的,狀態的輸入即為進入片內的五個編程接口信號?圖5給出了在系統編程電路的典型結構?

圖中編程信號來自專門的在系統編程控制電路?編程過程即為把JEDEC形式的熔絲圖傳送到器件中的過程?ispLSI器件有兩種模式:正常工作模式與編程模式?器件的工作模式是由在系統編程使能信號ispEN控制的?ispLSI器件一旦進入編程模式,器件的編程操作就完全受片內isp狀態機控制?在五個編程控制信號中,ispEN信號用來使能或取消其他四個編程控制信號?它們是:數據串入信號SDI?模式控制信號MODE?數據串出信號SDO和串行時鐘信號SCLK?在SCLK的作用下,來自JEDEC文件的編程信息通過SDI端口串行地移入器件,同時通過SDO端口移出?SCLK同時也驅動片內狀態機工作?當器件處于正常工作模式時,4個編程控制信號端口可以用作普通的直通輸入端?對ispLSI器件編程有多種方法?其中最簡單的是直接把isp編程引腳當作專用的編程端口?用如圖5那樣的并行編程結構來進行編程?

3.2 設計軟件簡介

如前所述,isp由編程實現八分頻電路?地址計數器電路以及并/串轉換電路的功能?在這里對isp編程采用原理圖設計法,即先設計出滿足上述功能的原理圖,然后生成JEDEC形式的熔絲圖,再寫入isp器件中?

我們使用的繪制原理圖的軟件為OrCAD System公司的OrCAD/SDT IV?需要注意的是,因為要使用OrCAD Systems公司的WDOWNLD軟件包進行對ispLSI1016的編程寫入,所以在繪圖時要采用庫LSC.LIB(Lattice Semiconductor Corporation Library)中的元件?也就是說,要使用LSC庫中基本邏輯門和D觸發器來繪制出具有上述三種功能的isp編程原理圖?

在原理圖繪制完畢之后,就可以用OrCAD/SDT IV中的網絡表制作功能生成網絡表.EDN文件,此時還可使用OrCAD/VST進行數字電路的邏輯模擬?在電路連接網表文件生成以后,就可以使用pDS+ OrCAD Software軟件包生成JEDEC形式的熔絲圖文件了?有關pDS+ OrCAD Software的資料請參考文獻[4]?當具有標準JEDEC格式的熔絲圖文件生成以后,就可以使用WDOWNLD軟件包(即DOWNLOAD for Windows)對isp器件進行編程寫入了?下載電纜線是專用的ispDOWNLOAD CABLE,它的一端是25針的并行接口,另一端是一個8腳的插座?對WDOWNLOAD軟件感興趣的讀者請參考相關的資料?

經過上述步驟,pLSI/ispLSI1016就成為一個具有一定功能的邏輯器件了,我們也就可以在系統電路板上使用它了?

總之,美國Lattice 公司將“在系統可編程(isp)”技術應用到高密度可編程器件中,形成既有可編程邏輯器件(PLD)的性能與特點,又有現場可編程邏輯陣列(FPGA)高密度和靈活性的在系統可編程邏輯器件?本設計就是對這種器件進行了一定的開發及應用,設計出一種通用數字信號源?有關isp器件的開發及應用還值得我們作進一步的探索。

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