探索PSD813F2在FPGA配置中的應用

探索PSD813F2在FPGA配置中的應用

摘要：可編程外圍器件PSD應用于單片機系統后，簡化了單片機外圍電路的設計，增加了系統的可靠性；利用PSD與單片機組成的系統，通過計算機串口對FPGA進行實時在線編程、仿真和配置。

關鍵詞：可編程外圍器件（PSD） 在應用可編程（IAP） 可編程門陣列（FPGA)


　　隨著單片機的廣泛應用，其性能不斷提高，集成度也日益提高。然而，傳統的單片機系統設計需要眾多分離器件（如地址鎖存器、譯碼器、RAM、EPROM、PLD等），使得系統復雜、可靠性低，并且調試繁瑣、效率較低。可編程門陣列（FPGA）需要外置存儲器，且配置存儲器多為OTP型，價格較高；加之，利用FPGA的JTAG口配置FPGA距離有限，調試不甚方便。
　　本文主要介紹一種基于閃爍存儲器的在線可編程微處理器外圍器件PSD813F2組成的單片機系統，同時利用該系統配置FPGA。即通過計算機串口將FPGA（本文以Altera公司10K系列為例）設計在線下載到單片機系統，由PSD813F2配置FPGA，實現IAP（In Application Programming）的功能。
　　1 PSD813F2性能特點
　　PSD813F2是PSD（Programmable System Devices）家庭的新成員，是基于閃爍存儲器的在線可編程外圍器件。它將單片機系統所需的外圍器件集成在一起，并能與單片機進行無縫連接，因而簡化了調度，提高了可靠性；同時，它與當前流行的眾多單片機有極簡單的接口，便于實現簡單、靈活的嵌入式設計；它還集成了優(yōu)化的“微控制器宏單元”邏輯結構，使得系統地址/數據總線可以與內部寄存器直接互連，簡化了控制總線的設計。此外，PSD813F2還具有以下一些特性：
　　①內部數據總線為8位，可方便地與各類8位單片機直接相連。如要與16位單片機相連，需用2片PSD813F2構成16位的多路復用接口，并且地址必須循環(huán)移位，以保證MCU工作時能同時正確接收不同PSD813F2 ROM中的信息。
　　②內部包含1Mbit的大容量Flash ROM，這分為8個大小相同的塊（如128K×8bit或64K×8bit），由用戶規(guī)定的地址訪問；另外還有256K的Flash OPT ROM及16KB的SRAM，其中SRAM可配置為2K×8bit或16K×1bit。
　　③內存（Flash ROM）或Flash OPT ROM可同時編程，即在執(zhí)行來自一個存儲器的代碼時可同時對另一個存儲器編程。
　　④帶有16個輸出宏單元和24個輸入宏單元，能方便實現多種邏輯組合功能，包括內外的狀態(tài)信號產生、地址譯碼等。
　　⑤帶有27個可重建的I/O端口，可以用作不同的I/O端口，如單片機的I/O、PLD的I/O；最多可提供19個外部片選信號，其中16個I/O可配置為漏極輸出。
　　⑥具有可編程電源管理功能（PMU），加之低功耗的CMOS技術，使得其工作時功耗很低；另外還具有自動檢測控制器工作的功能，使之在不工作時將PSD轉入低功耗狀態(tài)。
　　由于PSD813F2具有以下特性，因而能方便實現I/O重建、擴展，并具有通過編程改變設計的靈活性，方便與各類不同單片機實現無縫連接。其內部框圖如圖1所示。
　　2 系統設計
　　整個設計是利用計算機將FPGA的相關設計經單片機傳送存儲器，由單片機配置PSD813F2，再由PSD813F2配置FPGA，實現IAP的功能，特別適于較遠距離在線編程、仿真。另外，利用計算機的串行口可以與單片機進行較長距離的通信。
　　此外，由于PSD813F2片內有編程邏輯宏單元（CPLD），所以在MCU與PSD813F2之間不需要地址鎖存器及外部程序存儲器；并且PSD與LCD、FPGA的接口地直接用其PA、PB口連接，只需在軟件設計和MCU程序中相應設計為I/O模式或地址鎖存模式。
　　另外，FPGA的使用中通常需要時鐘信號，并可能需用好幾路同的時鐘信號。在系統中采用ICS公司的ISC501倍頻芯片，可實現2×～8×共8種倍頻方式，最高可實現160MHz時鐘；加之使用內部分頻，可以滿足多數設計需要。
　　3 MCU與PSD813F接口設計
　　PSD813F2具有大容量Flash ROM、16個輸出宏單元和24個輸入宏單元，因而在與單片機組成系統時很少需要外圍分立器件，多數通過PSD813F2中的宏單元邏輯組合產生與單片機連接的地址總線、數據總線、控制總線；同時，通過內部的邏輯譯碼產生對3塊獨立存儲區(qū)片選信號。另外，單片機與PSD813F2D內部宏單元的D觸發(fā)器直通，使得設計計數器、外圍邏輯控制極為方便。
　　PSD813F2內部包含3塊并行、相互獨立的存儲器區(qū)，獨立或并行的單片機在任何時候都可以從一塊存儲器執(zhí)行擦寫另一塊存儲器的操作。這使得單片機能夠在執(zhí)行程序期間，通過改變PSD內控制器的內容，而動態(tài)改變程序和數據空間的地址范圍；同時，系統也能對邏輯資源、擴展輸入和輸出端口進行編程，使系統具有實時ISP的能力。
　　4 PSD813F2與FPGA接口設計
　　PSD813F2可以配置Altera或Xilinx的FPGA（本文以Altera的為例）。Altera公司的EPF10K10/20是其萬門級FPGA的代表，原來需要外置存儲器，且配置存儲器EPC1441是OTP型，價格較高；而PSD813F2具有很好的在線編程功能，并且擦寫次數10萬次，同時，1片PSD813F2可以配置10片EPF10K10，因而其具有良好的性價比。
　　用PSD813F2配置Altera公司的EPF10K系列FPGA，主要有以下信號：
　　DCLK——輸入移位時鐘；
　　DATA——數據；
　　nSTATUS——狀態(tài)信號；
　　CONF_DONE——配置是否成功信號；
　　nCONFIG——開始配置信號。
　　在實際配置電路中采用FPGA的被動串行方式，因而EPF10K系列FPGA的MSE0、MSE1均接地；同時nSTATUS、CONF_DONE、nCONFIG均需通過上拉電阻接電源。配置接口的信號線只需由PSD813F2的PA或PB口配置即可，如圖3所示。
　　5 軟件設計
　　PSD813F2編程是在硬件基礎上，利用專用開發(fā)軟件PSDsoft進行系統開發(fā)的；而PSDsoft是一套在Windows環(huán)境下運行的軟件工具，運用可視化界面進行編程，具有人機交互功能，其一般開發(fā)流程如圖4所示。
　　然而對于單片機系統，更熟悉的是采用C51或匯編進行編程。利用單片機對PSD813F2進行配置時，所使用的C51程序中最主要的是對PSD813F2進行初始化的子程序：
　　void InitPSD813F2(void){ ；初始化程序
//PA0 LCD_R/W ；定義PA0為LCD讀寫
//PA1 LCD_RS ;定義PA1為LCD復位
//PA2 FPGA_DCLK

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