ACEX 1K 系列CPLD 配置方法探討
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1 引言
ACEX 1K 系列器件是Altera 公司近期推出的新型CPLD 產(chǎn)品。該器件基于SRAM，結(jié)合查找表（LUT）和嵌入式陣列塊（EAB）提供了高密度結(jié)構(gòu)，可提供10 000 到100 000 可用門，每個(gè)嵌入式陣列塊增加到16位寬可實(shí)現(xiàn)雙端口，RAM位增加到49125個(gè)。其多電壓引腳可以驅(qū)動(dòng)2.5V、3.3V、5.0V器件，也可以被這些電壓所驅(qū)動(dòng)；雙向I/O引腳執(zhí)行速度可達(dá)250MHz。該器件還應(yīng)用Altera專利技術(shù)進(jìn)行了重要的生產(chǎn)改進(jìn)，進(jìn)一步降低了器件的成本，提高了產(chǎn)品的性能價(jià)格比。因此,ACEX 1K 器件可用來實(shí)現(xiàn)許多邏輯復(fù)雜、信息量大的系統(tǒng)。但是在器件操作過程中，ACEX 1K系列器件的配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM單元中，由于SRAM的易失性，配置數(shù)據(jù)在每次上電時(shí)必須被重新載入SRAM。
2 配置ACEX 1K 系列器件三種方法的比較
對于ACEX 1K系列器件，目前實(shí)現(xiàn)加載的方法有以下3種：①采用PROM并行加載；②采用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)加載；③通過JTAG口直接一次性實(shí)現(xiàn)編程數(shù)據(jù)加載。第一種方式需要占用較多的CPLD管腳資源，雖然這些資源在加載完成后可用作一般的I/O口，但在加載時(shí)不允許這些管腳有其他任何外來信號源；另外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PROM與CPLD之間的大量固定連線,如8位數(shù)據(jù)線以及大量訪問PROM的地址線等，使得PCB板設(shè)計(jì)不便。但是這種方式有一個(gè)好處，即PROM的容量較大、容易購置、價(jià)格低、技術(shù)支持（編程器）較好。第二種方式采用單片機(jī)控制，由PROM中讀取并行數(shù)據(jù)，然后串行送出。由于涉及到單片機(jī)編程，對于開發(fā)者來說較為不便；另外，如果單片機(jī)僅用來實(shí)現(xiàn)該任務(wù)，較為浪費(fèi)硬件資源。CPLD的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是采用計(jì)算機(jī)專用開發(fā)工具，通過JTAG口直接一次性實(shí)現(xiàn)編程數(shù)據(jù)加載，但是由于ACEX 1K 器件SRAM 的易失性使數(shù)據(jù)無法永久保存，為調(diào)試帶來很大的不便，特別是從事野外作業(yè)者。
目前，Altera公司推出了相應(yīng)的配置器件。在CPLD器件配置過程中，配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在配置器件的EPROM中，通過配置器件內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)輸出。本文以20腳EPC2 器件（以下簡稱EPC2）為例闡述配置器件與ACEX 1K 系列器件的連接。
3 EPC2 器件簡介
EPC2具有Flash配置存儲(chǔ)器,可用來配置5.0V、3.3V、2.5V器件。通過內(nèi)置的IEEE Std.1149. 1 JTAG接口EPC2可以在5.0V和3.3V電壓下進(jìn)行在系統(tǒng)編程（ISP）。系統(tǒng)編程后，調(diào)入JTAG 配置指令初始化ACEX 1K 器件。EPC2 的ISP 能力使ACEX 1K 器件的初始和更新更容易。當(dāng)用EPC2配置ACEX 1K器件時(shí)，在配置器件的內(nèi)部發(fā)生帶電復(fù)位延遲，最大值為200ms。Alterat公司的QuartusⅡ和MAX+PLUSⅡ軟件均支持配置器件的編程，設(shè)計(jì)中軟件自動(dòng)為每一個(gè)配置器件產(chǎn)生POF。多器件設(shè)計(jì)中，對于多個(gè)ACEX 1K器件，軟件可以將編程文件與一個(gè)或多個(gè)配置器件聯(lián)合。軟件允許用戶選擇適當(dāng)?shù)呐渲闷骷浞值貎?chǔ)存每一個(gè)ACEX 1K器件的配置數(shù)據(jù)。EPC2 器件用于與ACEX 1K 器件連接的引腳功能見表1。
4 器件連接及工作原理
當(dāng)用一片EPC2配置ACEX 1K器件時(shí)，EPC2的控制信號nCS、OE、DCLK直接和ACEX 1K系列器件的控制信號連接。圖1 給出了ACEX 1K 器件和一片EPC2 的連接關(guān)系。
EPC2的nCS和OE引腳控制DATA輸出引腳的三態(tài)緩沖器，使能地址計(jì)數(shù)器和EPC2的振蕩器。nCS引腳控制配置器件的輸出。當(dāng)OE引腳接低電平時(shí)，不論nCS為何狀態(tài)，地址計(jì)數(shù)器復(fù)位，DATA引腳輸出為高阻狀態(tài)。當(dāng)OE引腳接高電平時(shí)，如果nCS保持高電平，則計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，DATA引腳保持高阻狀態(tài)；如果nCS接低電平，則計(jì)數(shù)器和DATA引腳正常工作。EPC2允許用戶將nINIT_CONF引腳與PLD器件的nCONFIG引腳相連來初始化PLD器件的配置。EPC2的DATA引腳與ACEX 1K系列器件的DATA0或DATA引腳相連。存儲(chǔ)在EPC2器件中的數(shù)據(jù)在其內(nèi)部時(shí)鐘的控制下順序輸出到DATA 腳，然后在控制信號的控制下輸出到CPLD器件的DATA0或DATA引腳。當(dāng)配置數(shù)據(jù)的大小超過一片EPC2的容量時(shí)，可以采用多片級聯(lián)的方法。這時(shí)候器件的nCASC和nCS引腳做器件間的握手信號。器件連接如圖1虛線所示。
用級聯(lián)EPC2 配置ACEX 1K 器件時(shí)，EPC2 的操作與其在級聯(lián)鏈中的位置有關(guān)。當(dāng)級聯(lián)鏈中的第一個(gè)即主EPC2加電或復(fù)位，且nCS腳為低電平時(shí)，主EPC2控制配置進(jìn)行。配置過程中主EPC2向其后的從屬EPC2和CPLD器件提供所有的時(shí)鐘脈沖，并向PLD器件提供第一個(gè)數(shù)據(jù)流。當(dāng)主EPC2中配置數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，器件的nCASC腳變?yōu)榈碗娖剑沟谝粋€(gè)從屬EPC2的nCS腳變?yōu)榈碗娖?，從而使從屬EPC2向外發(fā)送配置數(shù)據(jù)。每一片EPC2中數(shù)據(jù)全部輸出且nCASC引腳為低電平時(shí)，器件的DATA引腳置為高阻狀態(tài)以避免和其他配置器件發(fā)生競爭。一旦所有的配置數(shù)據(jù)傳送完畢，且基于查找表的CPLD器件的CONF_DONE腳驅(qū)動(dòng)主EPC2的nCS腳為高電平，主EPC2器件將額外增加16個(gè)時(shí)鐘周期來初始化CPLD器件。隨后主EPC2器件進(jìn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)需要另外加入EPC2器件時(shí)，可以將欲加入的EPC2的nCASC引腳和級聯(lián)鏈中的從屬EPC2的nCS相連，DCLK、DATA和OE引腳并聯(lián)。
5 結(jié)論
從上述的闡述中，我們可以看到：采用Altera公司的專用配置器件加載數(shù)據(jù)時(shí)，配置器件與CPLD之間的接口線非常少，且直接連接不需要外加智能控制器；通過器件內(nèi)置JTAG口能夠?qū)?shù)據(jù)一次性寫入EPROM中加以保存，而且當(dāng)CONFIG數(shù)據(jù)量較大時(shí)，可以采用多片級聯(lián)；器件可多次寫入，當(dāng)需要下載新數(shù)據(jù)時(shí)不需事先擦除器件中原有數(shù)據(jù)，只需將新數(shù)據(jù)直接寫入即可。由此可見采用配置器件加載數(shù)據(jù)方便、可靠、易學(xué)易用。
參考文獻(xiàn)
1 范宏波,李一民,朱紅梅.采用EEPROM對大容量FPGA芯片數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)串行加載,云南省昆明理工大學(xué)信電學(xué)院. 2001 年第5 期2 ACEX 1K Programmable Logic Device Family. Altera Corporation, 2001.9 3 Configuration Devices for SRAM-Based LUT Device. Altera Corporation, 2002.2 4 Configuring SRAM-Based LUT Devices. Altera Corporation, 2002.2
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