MCS-51單片機(jī)與FPGA接口的邏輯設(shè)計(jì)

0 引言
    FPGA是一種新興的可編程邏輯器件，可以取代現(xiàn)有的全部微機(jī)接口芯片，實(shí)現(xiàn)微機(jī)系統(tǒng)中的存儲器、地址譯碼等多種功能，具有更高的密度、更快的工作速度和更大的編程靈活性，被廣泛應(yīng)用于各種電子類產(chǎn)品中。在功能上，單片機(jī)具有性價(jià)比高、功能靈活、易于人機(jī)對話、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力等特點(diǎn)；而FPGA則具有高速、高可靠性以及開發(fā)便捷、規(guī)范等特點(diǎn)，因此兩類器件相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)將在許多高性能儀器儀表和電子產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用?；谶@種需求，本文設(shè)計(jì)了MCS-51單片機(jī)與FPGA的總線接口邏輯電路，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與FPGA數(shù)據(jù)與控制信息的可靠通信，使FP—GA與單片機(jī)優(yōu)勢互補(bǔ)，組成靈活的、軟硬件都可現(xiàn)場編程的控制系統(tǒng)。

1 單片機(jī)與FPGA的接口方式
    單片機(jī)與FPGA的接口方式一般有兩種，即總線方式與獨(dú)立方式。MCS-51單片機(jī)具有很強(qiáng)的外部總線擴(kuò)展能力，利用片外三總線結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與FPGA的總線接口，而且單片機(jī)以總線方式與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)與控制信息通信也有許多優(yōu)點(diǎn)：速度快；節(jié)省PLD芯片的I／O口線；相對于非總線方式，單片機(jī)編程簡捷，控制可靠；在FPGA中通過邏輯切換，單片機(jī)易于與SRAM或ROM接口。
    單片機(jī)與FPGA以總線方式通信的邏輯設(shè)計(jì)，重要的是要詳細(xì)了解單片機(jī)的總線讀寫時(shí)序，根據(jù)時(shí)序圖來設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)，其通信的時(shí)序必須遵循單片機(jī)內(nèi)固定的總線方式讀／寫時(shí)序。FPGA的邏輯設(shè)計(jì)也相對比較復(fù)雜，在程序設(shè)計(jì)上必須與接口的單片機(jī)程序相結(jié)合，嚴(yán)格安排單片機(jī)能訪問的I／O空間。單片機(jī)以總線方式與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與控制時(shí)，其通信工作時(shí)序是純硬件行為，速度要比前一種方式快得多，另外若在FPGA內(nèi)部設(shè)置足夠的譯碼輸出，單片機(jī)就可以僅通過19根I／O線在FPGA與單片機(jī)之間進(jìn)行通信和控制信息交換，這樣可以節(jié)省FPGA芯片的I／O線。其原理圖如圖1所示。

2 總線接口邏輯設(shè)計(jì)
2．1 接口設(shè)計(jì)思想
    單片機(jī)與CPLD／FPC,A以總線方式通信的邏輯設(shè)計(jì)，重要的是要詳細(xì)了解單片機(jī)的總線讀寫時(shí)序，根據(jù)時(shí)序圖來設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)。MCS-51系列單片機(jī)的時(shí)序圖如圖2所示。

    ALE為地址鎖存使能信號，可利用其下降沿將低8位地址鎖存于FPGA中的地址鎖存器(LATCH_ADDRES)中；當(dāng)ALE將低8位地址通過P0鎖存的同時(shí)，高8位地址已穩(wěn)定建立于P2口，單片機(jī)利用讀指令允許信號PSEN的低電平從外部ROM中將指令從P0口讀入，由時(shí)序圖可見，其指令讀入的時(shí)機(jī)是在PSEN的上升沿之前。接下來，由P2口和P0口分別輸出高8位和低8位數(shù)據(jù)地址，并由ALE的下降沿將P0口的低8位地址鎖存于地址鎖存器。若需從FPGA中讀出數(shù)據(jù)，單片機(jī)則通過指令“MOVXA，@DPTR”使RD信號為低電平，由P0口將鎖存器中的數(shù)據(jù)讀入累加器A；但若欲將累加器A的數(shù)據(jù)寫進(jìn)FPGA，則需通過指令“MOVx DPTR，A”和寫允許信號WR。這時(shí)，DPTR中的高8位和低8位數(shù)據(jù)作為高、低8位地址分別向P2和P0口輸出，然后由WR的低電平并結(jié)合譯碼，將累加器A的數(shù)據(jù)寫入圖中相關(guān)的鎖存器。
    通過對MCS-51單片機(jī)總線讀／寫時(shí)序的分析，設(shè)計(jì)了圖3所示的接口電路。在FPGA中，設(shè)計(jì)了兩個(gè)模塊：一個(gè)是總線接口模塊，負(fù)責(zé)單片機(jī)與FPGA的總線接口邏輯；另一個(gè)是寄存器單元及外部接口模塊，運(yùn)用總線接口模塊來操作此模塊。

    在總線應(yīng)用時(shí)，MCS-51單片機(jī)的P0口是作為地址／數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用的，因此應(yīng)在總線接口模塊中設(shè)計(jì)一個(gè)三態(tài)緩沖器，實(shí)現(xiàn)P0口的三態(tài)接口；又因MCS-51單片機(jī)在訪問外部空間時(shí)，它的地址為16位，因此借助地址鎖存使能信號ALE在FPGA中實(shí)現(xiàn)高8位與低8位地址的編碼，組合成16位地址，然后再根據(jù)MCS-51單片機(jī)的讀／寫信號，實(shí)現(xiàn)對FPGA的讀寫操作。
    在接口設(shè)計(jì)中，采用了VHDL語言實(shí)現(xiàn)其接口邏輯。用VHDL語言編寫，往往比較方便和嚴(yán)謹(jǐn)，注意整個(gè)過程的邏輯思路，并且盡量避免語言的冗余，造成比較長的延時(shí)。-MCS-51單片機(jī)與FPGA的通信讀寫電路的部分程序