CPLD通用寫入器設(shè)計(jì)與開發(fā)

摘要：可編程邏輯器件（Programmable Logic Device,簡(jiǎn)稱PLD）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型邏輯器件，它是現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)向超高集成度、超低功耗、超小型封裝和專用化方向發(fā)展的重要基礎(chǔ)。它的應(yīng)用和發(fā)展不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性和保密性，而且給數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法帶來(lái)了革命性的變化。CPLD（Complex Programmable Logic Device），即復(fù)雜可編程邏輯器件，它是20世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)的EPLD改進(jìn)器件。同EPLD相比，CPLD增加了內(nèi)部連線，對(duì)邏輯宏單元和I/O單元也有重大的改進(jìn)。Xilinx是世界上最大的可編程邏輯器件供應(yīng)商之一，F(xiàn)PGA的發(fā)明者。產(chǎn)品種類較全，主要有：XC9500/4000，Coolrunner（XPLA3），Spartan，Vertex。在本文中，我們將通過(guò)對(duì)CPLD的發(fā)展、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和設(shè)計(jì)等方面的認(rèn)知，了解CPLD的基本原理，并設(shè)計(jì)出CPLD脫機(jī)編程寫入器的電路圖。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD （Complex Programmable Logic Device），現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列器件FPGA（Field Programmable Logic Array），電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA（Electronic Design Automation），硬件描述語(yǔ)言HDL（Hardware Description Language）。

一.  CPLD及其功能
可編程邏輯器件包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（Filed Programmable Gate Array）和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Devic）這兩種類型。
具有固定數(shù)目輸入和輸出的任何組合邏輯函數(shù)可以在可編程只讀存儲(chǔ)器PROM中以輸出為輸入的查找表方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，許多實(shí)現(xiàn)組合邏輯的結(jié)構(gòu)變型已從這一簡(jiǎn)單的概念引申出來(lái)，而利用VLSI的密度產(chǎn)生更通用的能實(shí)現(xiàn)PCB板上幾個(gè)簡(jiǎn)單PAL互連功能的器件是PAL/PROM這類范例的擴(kuò)展，稱為PAL構(gòu)造的PLD，即復(fù)雜可編程邏輯器件——CPLD。
CPLD所提供的邏輯資源比較少，最高約一萬(wàn)門。但是，CPLD提供了以下特殊功能：
1. CPLD在設(shè)計(jì)過(guò)程中為客戶提供了更大的靈活性，因?yàn)閷?duì)于CPLD來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)反復(fù)只需要改變編程文件就可以了，而且設(shè)計(jì)改變的結(jié)果可立即在工作器件中看到。CPLD不需要漫長(zhǎng)的前置時(shí)間來(lái)制造原型或正式產(chǎn)品，CPLD器件已經(jīng)放在分銷商的貨架上并可隨時(shí)付運(yùn)；
2. CPLD不需要客戶支付高昂的NRE成本和購(gòu)買昂貴的掩膜組，因?yàn)镃PLD供應(yīng)商在設(shè)計(jì)其可編程器件時(shí)已經(jīng)支付了這些成本，并且可通過(guò)PLD產(chǎn)品線延續(xù)多年的生命期來(lái)分?jǐn)傔@些成本；
3. CPLD允許客戶在需要時(shí)訂購(gòu)所需要的數(shù)量，從而使客戶可控制庫(kù)存。采用固定邏輯器件的客戶經(jīng)常會(huì)面臨需要廢棄的過(guò)量庫(kù)存，而當(dāng)對(duì)其產(chǎn)品的需求高漲時(shí)，他們有可能為器件供貨不足所苦，并且不得不面對(duì)生產(chǎn)延遲的現(xiàn)實(shí)；
4. CPLD甚至在設(shè)備付運(yùn)到客戶那兒以后還可以重新編程。正是由于有了可編程邏輯器件，一些設(shè)備制造商現(xiàn)在正在嘗試為已經(jīng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品增加新功能或者進(jìn)行升級(jí)。

二.  Xilinx公司的XC9500系列可編程邏輯器件
近年來(lái)，可編程邏輯器件在高密度、高速度、低功耗等方面發(fā)展很快。在CPLD方面，Xilinx公司推出了高性能、低成本的XC9500[tm]系列，以及在單個(gè)器件內(nèi)結(jié)合了極低功耗和高速度、高密度和多I/O引腳特點(diǎn)的CoolRunner[tm]系列。此系列CPLD器件需要的功耗極低，并且價(jià)格低廉，從而使其對(duì)于成本敏感的、電池供電的便攜式設(shè)備（如移動(dòng)電話和數(shù)字手持助理）非常理想。
XC9500系列CPLD器件是Xilinx公司具有代表性的產(chǎn)品，圖1為XC9500系列芯片的外觀圖：

  
     圖1  XC9500系列芯片的外觀圖
     
三.  CPLD的設(shè)計(jì)與開發(fā)
XC9500系列可編程邏輯器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及時(shí)序問(wèn)題就不一一介紹了，我們下面所關(guān)心的是CPLD的設(shè)計(jì)與開發(fā)。
CPLD器件的設(shè)計(jì)一般可以分為設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)仿真和下載編程4個(gè)步驟：
1. 設(shè)計(jì)輸入
設(shè)計(jì)輸入就是將設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的電路以開發(fā)軟件要求的某種形式表達(dá)出來(lái)，并輸入到相應(yīng)的軟件中。
2. 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
在設(shè)計(jì)輸入之后，實(shí)現(xiàn)工具把邏輯映射到目標(biāo)器件結(jié)構(gòu)的資源中，決定邏輯的最佳布局，選擇邏輯與I/O功能塊連接的布線通道。Xilinx設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具以極高自動(dòng)化程度完成這些任務(wù)，設(shè)計(jì)編譯實(shí)用程序自動(dòng)地恢復(fù)所有的輸入文件，執(zhí)行所有必要的步驟來(lái)產(chǎn)生CPLD的配置程序。
3. 設(shè)計(jì)仿真
這一部分的最大功能是便于用戶查看自己的設(shè)計(jì)思想是否得到實(shí)現(xiàn)。我們可以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)乃至各個(gè)模塊進(jìn)行仿真，如果有問(wèn)題，可以很方便地修改錯(cuò)誤，而不必在硬件上動(dòng)手腳。仿真不消耗資源，不浪費(fèi)時(shí)間，實(shí)乃可編程邏輯器件設(shè)計(jì)與開發(fā)精髓之所在。
4. 下載編程
下載編程一塊是將設(shè)計(jì)階段生成的JEDEC文件裝入到可編程器件中，是本文的重點(diǎn)。器件編程需要滿足一定的條件，如編程電壓、編程時(shí)序和編程算法等。普通的CPLD器件需要一種編程專用設(shè)備（編程器）完成器件編程。
Xilinx商提供基于IEEE1149.1，JTAG協(xié)議（JTAG Boundary Scan）的CPLD編程寫入器。它由DSUB
—25接口和下載電纜組成，被開發(fā)的CPLD必須在開發(fā)基板上進(jìn)行編程，板上就必須留有JTAG使用的接口（TMS，TCK，TDI和TDO信號(hào)線等）。這樣的好處是我們能夠?qū)崣C(jī)調(diào)試。
除Xilinx的實(shí)機(jī)編程器外，還可設(shè)計(jì)脫機(jī)CPLD編程寫入器（電路如圖2），它能對(duì)CPLD進(jìn)行編程寫入，而不需要開發(fā)實(shí)物基板，實(shí)物基板設(shè)計(jì)時(shí)就不需要留有JTAG接口。這樣能節(jié)約基板，減少產(chǎn)品體積。圖2的設(shè)計(jì)電路有以下幾個(gè)主要的部件：
1. 并行接口
在圖2中，我們可以看到一個(gè)Parallel并行接口，用它經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)連接。其實(shí)在這里，我們

                  
圖2  CPLD編程寫入器總電原理圖                        

圖3  Parallel并行接口圖
也可以使用其它接口，例如Multilinx/Serial串行接口，以及Multilinx/USB接口等。這里使用的端口也是我們經(jīng)常用于連接本地打印機(jī)的接口。該接口是具有25Pin的接口，它的各Pin端口的信號(hào)如圖3所示。
2. Bus/Buffer電路
JTAG的信號(hào)，如TMS，TCK，TDI和TDO均需要設(shè)置Bus/Buffer電路。該Buffer電路采用了三態(tài)電路，這樣的設(shè)計(jì)使得CPLD寫入器對(duì)計(jì)算機(jī)的并行接口無(wú)不良影響，僅在需要對(duì)CPLD寫入器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)才動(dòng)作。在不輸入輸出信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)它處于高阻狀態(tài)，在需輸入輸出數(shù)據(jù)時(shí)才處于低阻狀態(tài)，保
證對(duì)CPLD寫入，讀出所需電流。Bus/Buffer電路如圖4所示：

                               
圖4  Bus/Buffer電路                                     

圖5  LED表示電路
3. LED表示電路
在CPLD編程寫入器電路設(shè)計(jì)中還設(shè)計(jì)有各種LED表示電路。如設(shè)置有綠色LED來(lái)表示電源輸出情況，紅色LED在TDI信號(hào)為L(zhǎng)低電平時(shí)點(diǎn)燈。在紅色LED點(diǎn)滅時(shí)表示傳送數(shù)據(jù)中，此時(shí)不能關(guān)機(jī)或拔連接電纜。LED表示電路如圖5所示。
4. Device切換電路
對(duì)不同的CPLD芯片（如PC84，PC44等）進(jìn)行編程寫入，它的選擇由旋轉(zhuǎn)切換開關(guān)來(lái)完成，由于篇幅的關(guān)系就不給出了。

基金資助：本文由江蘇省高校自然科學(xué)研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目資助，編號(hào)：05KJD510122
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)及其經(jīng)濟(jì)效益：設(shè)計(jì)出CPLD脫機(jī)編程寫入器，對(duì)CPLD進(jìn)行編程寫入，而不需要開發(fā)實(shí)物基板，實(shí)物基板設(shè)計(jì)時(shí)就不需要留有JTAG接口。這樣能節(jié)約基板，減少產(chǎn)品體積。
周杰導(dǎo)師評(píng)論：該同學(xué)在書寫這篇文章的過(guò)程中，閱讀大量有關(guān)書籍，通過(guò)對(duì)CPLD的發(fā)展、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和設(shè)計(jì)等方面的認(rèn)知，了解CPLD的基本原理，并設(shè)計(jì)出了CPLD脫機(jī)編程寫入器的電路圖，有一定的創(chuàng)新思想和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：
[1] 付慧生.《復(fù)雜可編程邏輯器件與應(yīng)用設(shè)計(jì)》.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.8.   TP332.1
[2] 王道憲.《CPLD/FPGA可編程邏輯器件應(yīng)用與開發(fā)》.國(guó)防工業(yè)出版社，2004.1.   TP332.1
[3] 孫  航.《Xilinx可編程邏輯器件的高級(jí)應(yīng)用與設(shè)計(jì)技巧》.電子工業(yè)出版社，2004.8.  TP332.1
[4] 趙  妍 肖冬榮.《幾種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的比較及典型應(yīng)用》.微計(jì)算機(jī)信息.2006.（4-1）： P40-42.