基于CPLD的異步串行收發(fā)器設計
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關鍵詞：異步串行收發(fā)器；混合輸入；在系統(tǒng)可編程；CPLD；ispLSI1016
傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的設計主要基于標準邏輯器件并采用“Ｂｏｔｔｏｍ－Ｕｐ”（自底向上）的方法構成系統(tǒng)。這種“試湊法”設計無固定套路可尋，主要憑借設計者的經(jīng)驗。所設計的數(shù)字系統(tǒng)雖然不乏構思巧妙者，但往往要用很多標準器件，而且系統(tǒng)布線復雜，體積功耗大，可靠性差，相互交流和查錯修改不便，設計周期也長。隨著電子技術的發(fā)展，采用先進的ＣＰＬＤ ?復雜的可編程邏輯器件?器件取代傳統(tǒng)電路已經(jīng)成為技術發(fā)展的必然趨勢。Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ｉｓｐＬＳＩ是當今世界上速度最快密度最高的ＣＰＬＤ之一。它采用先進的ＩＳＰ技術，使器件無需拆卸即可在系統(tǒng)內重新配置邏輯功能。數(shù)字系統(tǒng)設計的革命性變化，使得傳統(tǒng)的“固定功能集成塊＋連線”的設計方法正逐步退出歷史舞臺，而基于芯片的設計正在成為電子系統(tǒng)設計方法的主流。
本設計選用Ｌａｔｔｉｃｅ公司生產(chǎn)的ｉｓｐＬＳＩ１０１６器件，并以“異步串行收發(fā)器”為例，采用現(xiàn)代電路與系統(tǒng)中的設計思想來說明“基于芯片的設計”在實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的具體應用方法。這種設計方法不僅可使硬件設計“軟件化”、縮短設計周期、提高效率，而且易于修改和“升級”。
１ 異步串行收發(fā)器的工作原理
異步串行收發(fā)器的工作原理主要包括兩部分：第一是接收串行數(shù)據(jù)并將其轉化為并行數(shù)據(jù)，第二是把并行數(shù)據(jù)以串行數(shù)據(jù)方式發(fā)送出去。由于接收和發(fā)送是異步的，所以接收部分和發(fā)送部分需要不同的時鐘。
發(fā)送部分的系統(tǒng)工作原理如圖１所示，其中ＴＸＤ?７?０?是并行數(shù)據(jù)輸入信號，ＴＢＩＴＣＬＫ是發(fā)送器時鐘信號，ＲＥＳＥＴＦ是發(fā)送器控制模塊內部復位信號，ＭＷＤＳＬＦ是電平敏感鎖存器使能信號，ＴＲＳＴＦ是一位鎖存器模塊復位信號，ＴＸＤＡＴＡ是串行數(shù)據(jù)輸出信號。
當發(fā)送電路工作時，電平敏感鎖存器使能信號（ＭＷＤＳＬＦ）有效，并行數(shù)據(jù)被送入鎖存器，之后，控制模塊１產(chǎn)生并入串出移位寄存器裝入信號（ＳＴＬＤ），以在時鐘信號（ＴＢＩＴＣＬＫ）的作用下，將并行數(shù)據(jù)裝入并入串出移位寄存器，然后，控制模塊１再產(chǎn)生并入串出移位寄存器移位信號（ＳＴＬＤ），并在時鐘信號（ＴＢＩＴＣＬＫ）的作用下，將并行數(shù)據(jù)移出。
２ 異步串行收發(fā)器的具體實現(xiàn)
硬件電路功能來用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ＣＰＬＤ來實現(xiàn)，用ｉｓｐＬＥＶＥＲ３．０ 進行軟件設計?？衫迷韴D和硬件描述語言ＶＨＤＬ完成源文件的設計。以下對其ＣＰＬＤ流程源文件及仿真波形作以介紹。
２．１ 用ｉｓｐＬＥＶＥＲ軟件設計ＣＰＬＤ的流程
Ｌａｔｔｉｃｅ公司新的設計工具ｉｓｐＬＥＶＥＲ可支持ｉｓｐ-ＭＡＣＨ、 ｉｓｐＬＳＩ、 ｉｓｐＧＤＸ、 ｉｓｐＧＡＬ、 ＧＡＬ器件以及具有革新意義的新的ｉｓｐＭＡＣＨ ５０００ＶＧ和ｉｓｐＭＡＣＨ ４０００ ＣＰＬＤ器件系列。用ｉｓｐＬＥＶＥＲ設計ＣＰＬＤ的源文件主要有硬件描述語言（ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ和ＡＢＬＥ－ＨＤＬ）、電路原理圖和網(wǎng)表五種方式。在利用該軟件設計數(shù)字電路與系統(tǒng)時，可采用原理圖、硬件描述語言以及混合輸入方式。本設計將采用混合輸入方式（原理圖與ＶＨＤＬ語言）。用ｉｓｐＬＥＶＥＲ軟件設計ＣＰＬＤ的基本流程如圖３所示。
ｉｓｐＬＥＶＥＲ軟件的系統(tǒng)庫包括３部分：可編程大規(guī)模集成電路庫（ｐＬＳＩ）、通用電路庫（ＧＥＮＥＲＩＣ）、用戶自己設計的元件庫（Ｌｏｃａｌ）。這些庫中又列出了若干子庫，而這些子庫都是以宏來定義的，如門（Ｇａｔｅ）、寄存器（Ｒｅｇｓ）、算術運算器（Ａｒｉｔｈｓ）、Ｉ／Ｏ端口等。
在原理圖輸入方式中，首先應當用這些宏來構成電路符號，然后像邏輯元件那樣畫成原理圖，同時給出它們的連線以及各個輸入輸出緩沖器電路的具體配置。由此構成的宏在原理圖上只是一些方框形的符號，沒有涉及其內部具體邏輯，因而這種宏實際上是一種所謂的頂層原理圖。與頂層原理圖對應的是底層原理圖，頂層原理圖實際上是一種由各種門和觸發(fā)器等基本邏輯器件組成的基本原理圖，可以說它是頂層原理圖的內核。除了直接用基本邏輯器件構成底層原理圖外，還可以用硬件描述語言編寫源文件模塊以作為宏，同時作為一種底層原理圖去充實、支持頂層原理圖。頂層模塊原理圖如圖４所示。
圖５中，圓圈部分的并入串出移位寄存器（ＰＳ＿ＳＨＩＦＴＲＥＧ）宏模塊可用硬件描述語言（ＶＨＤＬ）進行功能描述。其ＶＨＤＬ源文件如下：
ＬＩＢＲＡＲＹ ｉｅｅｅ；
ＵＳＥ ｉｅｅｅ．ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ １１６４．ＡＬＬ；
ｅｎｔｉｔｙ ｌｏｇｉｃ１６６ ｉｓ
Ｐｏｒｔ ? Ａ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｂ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｃ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ＣＬＫ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｄ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｅ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｆ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｇ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｈ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ＳＥＲ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ＳＴＬＤ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ＱＨ ? Ｏｕｔ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ ?；
ｅｎｄ ｌｏｇｉｃ１６６；
ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＢＥＨＡＶＩＯＲＡＬ ｏｆ ｌｏｇｉｃ１６６ ｉｓ
ｓｉｇｎａｌ ｔ ｌａｔｃｈ? ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ ｖｅｃｔｏｒ?７ ｄｏｗｎｔｏ ０?；
ｂｅｇｉｎ
ｐｒｏｃｅｓｓ?ＳＴＬＤ，ＣＬＫ，ＳＥＲ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ?
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ?ＣＬＫ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ＣＬＫ＝′１′? ｔｈｅｎ
ｉｆ?ＳＴＬＤ＝′１′? ｔｈｅｎ
ｔ ｌａｔｃｈ?７?＜＝Ａ；
ｔ ｌａｔｃｈ?６?＜＝Ｂ；
ｔ ｌａｔｃｈ?５?＜＝Ｃ；
ｔ ｌａｔｃｈ?４?＜＝Ｄ；
ｔ ｌａｔｃｈ?３?＜＝Ｅ；
ｔ ｌａｔｃｈ?２?＜＝Ｆ；
ｔ ｌａｔｃｈ?１?＜＝Ｇ；
ｔ ｌａｔｃｈ?０?＜＝Ｈ；
ｅｌｓｅ
ｔ ｌａｔｃｈ?０?＜＝ｔ ｌａｔｃｈ?１?；
ｔ ｌａｔｃｈ?１?＜＝ｔ ｌａｔｃｈ?２?；
ｔ ｌａｔｃｈ?２?＜＝ｔ ｌａｔｃｈ?３?；
ｔ ｌａｔｃｈ?３?＜＝ｔ ｌａｔｃｈ?４?；
ｔ ｌａｔｃｈ?４?＜＝ｔ ｌａｔｃｈ?５?；
ｔ ｌａｔｃｈ?５?＜＝ｔ ｌａｔｃｈ?６?；
ｔ ｌａｔｃｈ?６?＜＝ｔ ｌａｔｃｈ?７?；
ｔ ｌａｔｃｈ?７?＜＝ＳＥＲ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ
ＱＨ＜＝ｔ ｌａｔｃｈ?０?；
ｅｎｄ ＢＥＨＡＶＩＯＲＡＬ；
圖5
ＬＩＢＲＡＲＹ ｖａｎｍａｃｒｏ；
ＵＳＥ ｖａｎｍａｃｒｏ．ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．ＡＬＬ；
ＬＩＢＲＡＲＹ ｉｅｅｅ；
ＬＩＢＲＡＲＹ ｇｅｎｅｒｉｃｓ；
ＵＳＥ ｉｅｅｅ．ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ １１６４．ＡＬＬ；
ＵＳＥ ｉｅｅｅ．ｎｕｍｅｒｉｃ ｓｔｄ．ＡＬＬ；
ＵＳＥ ｇｅｎｅｒｉｃｓ．ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．ＡＬＬ；
ｅｎｔｉｔｙ ｃｏｕｎｔｅｒ９ ｉｓ
Ｐｏｒｔ ? ｃｌｋ ? Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ｃａｏ ? Ｏｕｔ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ ?；
ｅｎｄ ｃｏｕｎｔｅｒ９；
ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂｅｈａｖ ｏｆ ｃｏｕｎｔｅｒ９ ｉｓ
ｓｉｇｎａｌ ｃｏｕｎｔｅｒ? ｉｎｔｅｇｅｒ ｒａｎｇｅ ０ ｔｏ ９；
ｂｅｇｉｎ
ｐｒｏｃｅｓｓ?ｃｌｋ?
ｂｅｇｉｎ
圖6
ｉｆ?ｃｏｕｎｔｅｒ＝９? ｔｈｅｎ
ｃｏｕｎｔｅｒ＜＝０；
ｅｌｓｅ
ｃｏｕｎｔｅｒ＜＝ｃｏｕｎｔｅｒ＋１；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ；
ｐｒｏｃｅｓｓ?ｃｏｕｎｔｅｒ?
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ?ｃｏｕｎｔｅｒ＝９? ｔｈｅｎ
ｃａｏ＜＝′１′；
ｅｌｓｅ
ｃａｏ＜＝′０′；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ；
ｅｎｄ ｂｅｈａｖ；
在上述源文件設計中，控制模塊１和控制模塊２都采用了調用宏模塊的方式。在此設計中，時序控制十分重要，而采用調用宏模塊的原理圖輸入方式能很好的控制延時參數(shù)。如果用硬件描述語言進行時序功能描述，那么經(jīng)邏輯綜合、優(yōu)化后，其延時參數(shù)有時很難控制。而減小延時參數(shù)需要更多的資源來補償。
ｉｓｐＬＥＶＥＲ軟件提供了強大的功能仿真和時序仿真功能，其最高仿真頻率可達３６ＭＨｚ。圖７是接收器部分的仿真波形。預接收的串行數(shù)據(jù)為：“１０１０１１１０”。而發(fā)送器部分的仿真波形如圖８所示。預發(fā)送的并行數(shù)據(jù)為：ＴＸＤ０＝‘１’，ＴＸＤ１＝‘０’，ＴＸＤ２＝‘１’，ＴＸＤ３＝‘０’，ＴＸＤ４＝‘１’，ＴＸＤ５＝‘１’，ＴＸＤ６＝‘１’，ＴＸＤ７＝‘０’。
３ 結論
該設計充分體現(xiàn)了ＩＳＰ技術的優(yōu)越性，使整個系統(tǒng)無論從最初方案的設計到編寫程序，還是從仿真調試到下載驗證，都顯得相當快捷和方便。采用ＩＳＰ技術具有流程簡單、無引腳損傷、可實現(xiàn)多功能硬件、并可為測試重構邏輯等優(yōu)點。隨著網(wǎng)絡技術的日益完善，通過網(wǎng)絡來對遠隔萬里的用戶系統(tǒng)進行軟件版本的升級換代，無疑會給廠家與用戶帶來更多方便。該異步串行收發(fā)器接收和發(fā)送的ｂｉｔ數(shù)可根據(jù)具體需要進行相應的改動，而且只需改動底層模塊中的鎖存器、串入并出移位寄存器及并入串出移位寄存器的ｂｉｔ數(shù)和計數(shù)器的大?。刂颇K部分不需改動），然后再經(jīng)相關軟件的綜合和適配，即可重新下載到具體器件中。該設計中 ｂｉｔ數(shù)選擇８位，完全是出于所選器件的容量考慮。
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