基于CPLD的串并轉(zhuǎn)換和高速USB通信設(shè)計(jì)

　　(5)邏輯陣列輸入

　　邏輯陣列輸入包括全局總線/開關(guān)矩陣和返送總線：

　　◇ 全局總線/開關(guān)矩陣

　　全局總線包括所有的輸入和I/O引腳信號(hào)以及所有128個(gè)宏單元的隱藏反饋信號(hào)。每個(gè)邏輯塊的開關(guān)矩陣將全局總線的所有信號(hào)作為其輸入。在軟件的控制下，這些信號(hào)中最多可以有40個(gè)被選擇作為邏輯塊的輸入。

　　◇ 返送總線

　　每一個(gè)宏單元可以產(chǎn)生一個(gè)返送乘積項(xiàng)。這個(gè)信號(hào)連接到局部總線上，并且對(duì)16個(gè)宏單元有效，它是宏單元一個(gè)乘積項(xiàng)的反極性。每個(gè)局部總線的16個(gè)返送項(xiàng)允許產(chǎn)生高扇入求和項(xiàng)(最多21個(gè)乘積項(xiàng))，而只有很小的延時(shí)。

　　3 設(shè)計(jì)軟件支持

　　ATMEL公司提供了CPLD的設(shè)計(jì)軟件，而且很多第三方的工具軟件也支持ATF1508AS的設(shè)計(jì)，可以用多種高級(jí)描述語言和格式進(jìn)行邏輯描述，如CUPL、ABEL、VHDL等。由于ATF1508AS與ALTERA公司的EPM7000系列是完全引腳兼容的，因此可以使用 ALTERA公司的MAXPLUSII軟件。它能進(jìn)行VHDL語言的編譯和綜合，使用方便，功能強(qiáng)大。MAXPLUSII綜合后產(chǎn)生適合ALTERA的 CPLD編程的POF文件，使用POF2JED軟件(ATMEL公司提供)，就可將POF文件轉(zhuǎn)換為適合ATF1508AS的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JEDEC編程文件，下載到ATF1508AS芯片中。

　　4 器件編程

　　ATF1508AS器件是利用4腳JTAG協(xié)議在系統(tǒng)編程(ISP)的。ATMEL提供了ISP硬件(下載電纜)和軟件，以允許從PC對(duì)ATF1508AS進(jìn)行編程。若要允許ISP編程支持"自動(dòng)測(cè)試裝置(ATE)"向量，必須通過ATMEL的ISP軟件生成串行向量格式(SVF)文件，也可轉(zhuǎn)換為除SVF外的其它ATE測(cè)試格式。ATF1508AS器件也可以用標(biāo)準(zhǔn)的第三方編程器來編程，這時(shí)JTAG ISP口可以被禁止從而允許這四個(gè)額外的I/O引腳用于邏輯功能。

　　ATF1508AS還有一個(gè)特性就是如果由于任何原因編程過程被中斷，則器件將被鎖定以防止輸入和I/O引腳被驅(qū)動(dòng)。在這種狀態(tài)下，輸入和I/O引腳缺省下為高阻狀態(tài)。在編程器件時(shí)，輸入和I/O引腳也將為高阻狀態(tài)。此外，引腳保持電路設(shè)置在器件編程期間將保持以前的狀態(tài)。 ATF1508AS器件出廠時(shí)被初始化為已擦除狀態(tài)，可以直接用來ISP編程。

　　5 應(yīng)用實(shí)例

　　(1)應(yīng)用ATF1508AS進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換

　　本系統(tǒng)應(yīng)用ATMEL公司的ATF1508AS進(jìn)行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集中，用到Crystal半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的24位高精度Σ-△模/數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5321/CS5322組件。該組件最終輸出字長為24位的2的補(bǔ)碼格式的串行數(shù)字信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)可以方便與單片機(jī)的接口。串并轉(zhuǎn)換可采用移位寄存器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)實(shí)現(xiàn)6通道24位采樣，若采用移位寄存器，則需要8位移位寄存器，共3×6=18片，另外還要用幾片譯碼器。這樣，會(huì)使芯片數(shù)量大增，占用大片電路板面積，使系統(tǒng)的體積增大。本系統(tǒng)使用ATF1508AS來實(shí)現(xiàn)6通道24位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，可將大部分?jǐn)?shù)字邏輯設(shè)計(jì)(包括組合邏輯和時(shí)序邏輯)集成在一個(gè)芯片內(nèi)，大幅減少芯片數(shù)量，減小系統(tǒng)體積。

　　由于ATF1508AS內(nèi)部有128個(gè)宏單元，而且24位串并轉(zhuǎn)換需要24個(gè)移位寄存器，因此不能同時(shí)進(jìn)行6通道的串并轉(zhuǎn)換，只能分時(shí)復(fù)用。本系統(tǒng)分3次進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換2個(gè)通道，等待單片機(jī)讀取2個(gè)通道的并行數(shù)據(jù)后再進(jìn)行剩下的轉(zhuǎn)換。部分串并轉(zhuǎn)換VHDL程序如下(硬件描述語言是VHDL，軟件是ALTERA公司的MAXPLUSⅡ軟件和ATMEL公司的POF2JED軟件，下載軟件是ATMEL公司的ATMISP，下載電纜是ATMEL公司的專用電纜)：

　　s2p : process(SCLK1M,DRDYIN,WORKING,RESET)

　　begin

　　if WORKING='1' or RESET='1' then

　　shift_enable <= '0';

　　state <= s0;

　　elsif SCLK1M'event and SCLK1M='0' then

　　count1 <= count1+1;

　　case state is

　　when s0 =>if DRDYIN='0' then

　　shift_enable <= '1';

　　count1 <= (others=>'0');

　　int_reg <= '1';

　　state <= s1;

　　elsif READOK='1' then

　　int_reg <= '1';

　　end if;

　　when s1=>shift_reg0<=shift_reg0(22 downto 0)& SOD(0);

　　shift_reg1<=shift_reg1(22 downto 0)& SOD(1);

　　if count1=23 then

　　shift_enable <= '0';

　　int_reg <= '0';

　　state <= s2;

　　else

　　int_reg <= '1'; end if;

　　when s2 => if shift_enable='1' then

　　shift_reg0<=shift_reg0(22 downto 0)& SOD(2);

　　shift_reg1<=shift_reg1(22 downto 0)& SOD(3);

　　if count1=23 then

　　shift_enable <= '0';

　　int_reg <= '0';

　　state <= s3;

　　else

　　int_reg <= '1'; end if;

　　elsif READOK='1' then

　　shift_enable <= '1';

　　count1 <= (others=>'0');

　　end if;

　　when s3 =>if shift_enable='1' then

　　shift_reg0<=shift_reg0(22 downto 0)& SOD(4);

　　shift_reg1<=shift_reg1(22 downto 0)& SOD(5);

　　if count1=23 then

　　shift_enable <= '0';

　　int_reg <= '0';

　　state <= s0;

　　else

　　int_reg <= '1'; end if;

　　elsif READOK='1' then

　　shift_enable <= '1';

　　count1 <= (others=>'0');

　　end if;

　　end case;

　　end if;

　　end process;

　　(2)應(yīng)用ATF1508AS進(jìn)行高速USB通信

　　USB是近年來應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，具有使用方便、速度快、連接靈活、支持熱插拔等特點(diǎn)。USB1.1協(xié)議定義在高速下12 Mb/s、低速下1.5 Mb/s的傳輸速度。若要達(dá)到高速12 Mb/s(相當(dāng)于近1 MB/s)的速度，就要大約1μs傳輸1個(gè)字節(jié)。但由于USB的控制傳輸、錯(cuò)誤檢測(cè)以及單片機(jī)本身速度的限制，很難達(dá)到這么高的速度，因此，必須采用 DMA方式才能達(dá)到真正的高速傳輸，使用CPLD就可以實(shí)現(xiàn)類似DMA方式。單片機(jī)負(fù)責(zé)解釋USB的控制傳輸，當(dāng)要進(jìn)行從外存取數(shù)送到USB接口芯片時(shí)，單片機(jī)讓出總線，由CPLD完成該工作。CPLD產(chǎn)生外存的讀取時(shí)序和地址、片選信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生USB接口芯片的寫時(shí)序和地址、片選信號(hào)，這樣就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)外存數(shù)據(jù)到USB接口芯片的工作，而且速度很快，不需要單片機(jī)干預(yù)。以下給出RAM的讀取時(shí)序、地址信號(hào)和USB接口芯片寫時(shí)序的VHDL程序片斷：