基于單片機的CPLD/FPGA被動串行下載配置的實現(xiàn)

1引言

隨著電子技術的發(fā)展，當前數(shù)字系統(tǒng)的設計正朝著速度快、容量大、體積小、重量輕的方向發(fā)展。推動該潮流迅猛發(fā)展的引擎就是日趨進步和完善的高密度現(xiàn)場可編程邏輯器件設計技術。高密度現(xiàn)場可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）能夠將大量邏輯功能集成于一個單片IC之中，對基于E2PROM（或Flash Memory）工藝的器件，配置數(shù)據(jù)在掉電后不會丟失，可以直接采用ByteBlaster并口下載電纜對他們進行配置，但基于該架構的器件的集成度較低，一般在10萬門以下；然而對基于SRAM工藝的器件，配置數(shù)據(jù)在器件掉電后會丟失，但基于該架構的器件的集成度相對較高，一般在1萬門以上。

由于當前項目開發(fā)中所需使用的可編程邏輯器件的集成度要求越來越高，基于SRAM工藝的器件得到越來越廣泛的使用，那么此時如何將配置數(shù)據(jù)成功地寫入目標器件，并且保證其在掉電再上電后能夠自動恢復配置數(shù)據(jù)，成為電子設計工程師能否正確使用基于SRAM工藝的器件必須掌握的一項技術。

針對基于SRAM工藝的器件的下載配置問題，本文介紹采用AT89S2051單片機配合串行E2PROM存儲器，實現(xiàn)CPLD/FPGA器件的被動串行（PS）模式的下載配置。

2系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)的硬件電路由AT89S2051單片機、AT24C256串行E2PROM，MAX232串行接口電路、復位及去耦合電路和被配置CPLD/FPGA器件組成，如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設計

（1）單片機 單片機采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S2051單片機，該芯片與MCS51系列單片機兼容。內含：2 kB Flash E2PROM，128 B RAM，15根I/O引線，2個16位定時器/計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結構，1個全雙工串行口和1個精密模擬電壓比較器等。

（2）串行E2PROM 由于基于SRAM工藝的可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）的配置數(shù)據(jù)在掉電后會丟失，需要外加存儲器以保存配置數(shù)據(jù)。為了盡量減小電路板的面積，選用8 腳的串行E2PROM AT24C256。AT24C256是ATMEL公司生產(chǎn)的2線制串行電可擦寫只讀存儲器，具有自定時寫周期特性，容量32 kB。該器件特別適合于對功耗有嚴格要求的應用場合。

（3）通信接口采用MAXIM公司生產(chǎn)的串行接口芯片MAX232將PC機與下載配置電路連接起來。下載配置電路通過該串口接收PC機下傳的命令，執(zhí)行相應的操作再將處理結果上傳到PC機。MAX232是通用+5 V供電的多通道RS232總線收發(fā)器，尤其適合在電池供電的系統(tǒng)中應用。

3.2硬件原理圖

硬件原理如圖2所示。上電后，單片機首先調用子程序完成如下操作：將掉電前已經(jīng)存儲在AT24C256串行E2PROM中的器件配置文件讀出；采用被動串行模式（PS）將該文件配置到CPLD/FPGA器件中,從而實現(xiàn)器件掉電再上電后自動恢復配置數(shù)據(jù)的功能。然后，單片機就會工作在動態(tài)停機狀態(tài)，在此過程中，單片機可以響應串口中斷。

如果單片機響應串口中斷并且接收到一個數(shù)據(jù)，那么單片機首先判斷該數(shù)據(jù)所表示的命令類型，若是配置命令，單片機就進入配置狀態(tài)。在配置狀態(tài)下，單片機一邊接收配置數(shù)據(jù)，一邊將這些數(shù)據(jù)寫到CPLD/FPGA器件中；若是寫E2PROM命令，單片機就進入寫E2PROM狀態(tài)，此時單片機會一邊接收配置數(shù)據(jù)，一邊將這些數(shù)據(jù)寫到配置用E2PROM中（注意此時這些數(shù)據(jù)并沒有被配置到CPLD/FPGA器件中）；若是讀E2PROM命令，單片機就進入讀E2PROM并配置CPLD/FPGA器件狀態(tài)，此時單片機會一邊讀E2PROM中的配置數(shù)據(jù)，一邊將讀出的配置數(shù)據(jù)寫到CPLD/FPGA器件中。

4系統(tǒng)軟件設計

軟件包括：主程序、下載配置子程序、寫E2PROM子程序、讀E2PROM子程序及通用延時子程序構成。其軟件流程圖如圖3所示。