使用PLD和低開銷的串行總線擴展系統(tǒng)控制功能

　　在進行復雜系統(tǒng)的架構開發(fā)時，架構師和設計師很少對設計的系統(tǒng)控制方面予以重視。最好的情況是，系統(tǒng)控制在整個系統(tǒng)的設計考慮中排第二位。而最壞的情況是直接被遺忘，直到設計后期，板上只有很小的空間能實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能，也不可能再有時間來重新進行架構設計。

　　過去，設計師常常會使用一些方法來解決這些問題：請軟件設計師想辦法在軟件中實現(xiàn)某些控制功能;在電路板上四處增加小的PLD，因為受到電路板空間限制而不得不忍受布局布線的不便和擁擠;或者，以時間進度為由，犧牲某些功能。這些方法聽起來都不怎么樣。我們需要一種方法，最大限度地減少電路板的面積和布線，同時減少微處理器的使用并且實現(xiàn)所需的功能。

　　CPLD和小型FPGA往往是這種情況下的首選解決方案。使用CPLD和FPGA，設計人員可以不再需要集中監(jiān)測和控制，而更多的采用本地化控制和分配。創(chuàng)建一條通信路徑，盡可能地減少中央處理器和分布的PLD之間的連接，將會是一個最接近理想的解決方案。幸運的是，串行外設接口(SPI)標準和內部集成電路(I2C)標準就是理想的低開銷的通信路徑，他們最初分別由Motorola公司和Phillips公司開發(fā)。這兩個標準并非設計用于提供大多數數據路徑所需的高吞吐量，但它們在監(jiān)控和控制應用中表現(xiàn)良好，相比之下這些應用中的延遲問題不是那么重要。

　　將FPGA和CPLD的靈活性和這些低開銷總線相結合，為系統(tǒng)設計師提供了大量的系統(tǒng)控制功能，同時最大限度地減少所需的電路板面積。

　　低速串行總線

　　從物理學和電氣學的角度來看，SPI和I2C都是低開銷的總線標準，一般從電路板實現(xiàn)的角度來看就很容易理解。I2C只需要兩個信號來實現(xiàn)：SDA(數據線)和SCK(時鐘線)。這些線路都是漏極開路，并要求端接上拉電阻。這些連線可以跨越多個主器件和從器件，如圖1所示。該電路還需要的唯一一個額外要求就是使用適當的端接上拉電阻來處理線路電容。兩線總線上的多個主器件的問題需要使用總線仲裁來處理消息沖突。但是使用一個簡單的專用總線結構和一個主器件，這些問題就可以全部解決。

　　圖1——典型的I2C連接

　　SPI是一個4線串行總線，由于總線上僅允許有一個主器件因而無需總線仲裁。此外，還有兩個數據引腳，都不是真正的雙向引腳。MOSI(主器件輸出，從器件輸入)線負責將數據發(fā)送給外設;MISO(主器件輸入，從器件輸出)負責將數據發(fā)送給主器件。時鐘(SCLK)和從器件選擇(SS)信號提供總線控制，它們都是由主器件驅動。雖然這種安排避免了總線仲裁的需要，但是需要使用更多的信號。

　　圖2——典型的三個從器件的SPI總線

　　今天使用哪種串行總線方面的限制相對較少。截至2006年，NXP(原Phillips)不再需要許可證即可使用I2C協(xié)議。應當指出的是，獲取I2C從器件地址仍需收取費用。然而，對于外設無需與外界通信的應用，這是沒有必要的。而SPI是一個沒有正式規(guī)范文檔而被廣泛使用的標準。然而，該標準已經在許多不同的嵌入式處理器中實現(xiàn)，由此看出雖然它沒有正式規(guī)范文檔，但是并未阻礙其廣泛使用。

　　低開銷的I2C和SPI兩種標準被廣泛采用并且集成到微控制器和外設中。

　　系統(tǒng)監(jiān)測和控制

　　單塊電路板上的應用監(jiān)測和控制相對比較簡單。復位、中斷線路和選擇線路可以直接由微控制器或本地PLD控制。然而，在多塊電路板的系統(tǒng)中則需要進行集中控制，因而盡量減少連接的數量是很重要的。這可以通過使用低開銷的串行總線與PLD進行通信來實現(xiàn)，如圖3中所示。

　　圖3——將PLD用作一個串行IO擴展器

　　接下來就需要一個協(xié)議，定義從微控制器到外部PLD的數據流的指令和尋址機制。對于基于SPI的實現(xiàn)，無需太多擔心。SPI不需要數據流中的任何信息進行尋址，因為SS和SCLK信號已經根據協(xié)議提供了控制尋址。因此，用戶只需控制整個數據有效載荷的傳輸。

　　外部PLD的I2C實現(xiàn)稍微復雜一些。首先，在將數據傳輸到總線上之前，要對器件尋址，必須識別出這個PLD。這種差異正是選擇這兩種串行總線架構時需要考慮權衡的地方：SPI架構不需要一個指令翻譯器來尋找到特定的從器件，但比I2C結構需要更多引腳。

　　遠程故障記錄

　　考慮到外部的非易失性存儲器成本低，以及便于通過串行總線如I2C或SPI接口進行連接，將外部非易失性存儲器與PLD結合使用，可以為用戶提供極具成本效益的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)中的遠程故障記錄管理。圖4顯示了一個典型的系統(tǒng)應用，不僅使用了之前重點介紹的IO擴展功能，也說明了怎樣將外部存儲器納入系統(tǒng)架構中使用。

　　圖4——遠程故障記錄

　　在這個架構中，PLD主要負責監(jiān)測、控制和與微控制器通信。然而，它也負責執(zhí)行線路上額外的監(jiān)測/控制分析和故障信息記錄，通過串行總線寫入非易失性存儲器。電壓監(jiān)控、看門狗定時器和PCB上的其他故障條件可以通過PLD寫入非易失性存儲器。通常情況下，檢測到故障后，系統(tǒng)中其他監(jiān)控器的狀態(tài)，如溫度和電壓以及時間信息將被保存。

　　應當注意的是，這樣一個系統(tǒng)在實現(xiàn)時有一個重要的考慮。如果PLD是外部非易失性存儲器的主器件，那么它還需要決定串行總線的控制和尋址。這個決定對于使用SPI總線而言很容易;設計師必須實現(xiàn)一個從SPI器件，與微控制器進行通信，以及一個獨立的主SPI器件，可以訪問外部存儲器。

　　對于I2C總線，設計師有幾個選擇。第一種選擇是設計類似SPI那樣的設計，使用一個從器件與微控制器通信，以及一個主器件訪問外部存儲器。第二種選擇是使用PLD，同時作為主器件和從器件。這種方法的好處是，系統(tǒng)中只有一條串行總線，因此微控制器可以直接訪問非易失性存儲器，而無需PLD翻譯指令然后從存儲器中讀取信息。然而，由于不是在PLD中簡單地使用一個從器件，現(xiàn)在設計必須處理尋址和總線控制。

　　傳感器和外設匯聚

　　基于串行接口的標準產品的數量日益增長。你可以在溫度傳感器、壓力傳感器、A/D轉換器、數字電位器、實時時鐘和LCD控制器等等應用中找到串行接口，這里僅列舉了幾個來說明。要了解如何將這些集成到設計中的關鍵是要知道哪些外設需要“實時”使用以及“實時”意味著什么。舉例來說，在系統(tǒng)中溫度是一個相對緩慢變化的對象，并可以很容易地通過串行總線監(jiān)控。用于電流或電壓檢測的A/D轉換器可能是也可能不是一個“實時”需求，這要根據正在測量的內容，以及需要多快的檢測速度而定。

　　一旦你已經確定了外設的優(yōu)先級，然后你可以將較低優(yōu)先級的外設讓PLD處理，減輕處理器的負擔，如圖5所示。

　　圖5——傳感器匯聚示例

　　在上面的例子中，微控制器只需與2個而非4個外設進行通信。

　　這種安排還有另外一個好處。你可以使用一個功能強大的PLD來預處理數據，然后由微控制器讀取。例如，請考慮一個應用，使用A/D采樣測量一個三相電力系統(tǒng)的電壓和電流，并進行故障檢查。一個擁有強大DSP功能的PLD可以代替DSP或微控制器執(zhí)行RMS計算、峰值電流分析、相位計算和FFT?，F(xiàn)在采樣速率受到PLD收集樣本和處理數據所需時間的限制。然后，微控制器可以讀取編譯的數據，將更多的時間用于處理控制和報告工作。設計師們應該好好考慮微控制器處理能力、PLD處理能力、成本和空間之間的權衡。

　　下一步：集成

　　鑒于這些串行總線與小型可編程邏輯器件相結合使用的實用性，下一步將是將至少一種串行總線標準(如果不能兼顧)集成到PLD中。這種集成降低了PLD解決方案的成本和功耗。此外，串行總線接口的編碼不再是設計師需要解決的問題。設計師只需要處理他們的應用和邏輯要求，而不是集成一個開放的核。

　　萊迪思半導體公司提供的最新的CPLD就可以為設計師帶來這些優(yōu)點。MachXO2™系列中的嵌入式功能塊(EFB)，包含預先設計的解決方案，可以用來實現(xiàn)上面所述的任意系統(tǒng)控制功能。MachXO2器件包含一個SPI控制器以及2個I2C控制器。所有串行總線控制器都可以配置為主或從器件。此外，MachXO2還為設計師們提供了一個定時器/計數器塊以及少量的用戶可訪問的閃存(UFM)。

　　除了上面提到的解決方案，串行總線與PLD相結合可以為系統(tǒng)提供其他的好處，即使有時它們在架構設計過程后才顯現(xiàn)出來。它們并不是所有弊病的靈丹妙藥，但它們在設計中的實用性是有據可查的，有無數的開源核和設計方案可以給予不同的架構設計師們指引，實現(xiàn)最佳的解決方案。