單片機與FPGA接口邏輯設(shè)計

1、MCS-51單片機與CPLD/FPGA接口邏輯設(shè)計發(fā)布時間:2006年11月28日 點擊次數(shù):1609來源:蒼穹電子網(wǎng) 作者:在功能上,單片機與大規(guī)模CPLD有很強的互補性。單片機具有性能價格比高、功能靈活、易于人機對話、良好的數(shù)據(jù)處理能力濰點;CPLD/FPGA則具有高速、高可靠以及開發(fā)便捷、規(guī)范等優(yōu)點。以此兩類器件相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)在許多高性能儀器儀表和電子產(chǎn)品中仍將被廣泛應(yīng)用。本文就單片機與CPLD/FPGA的接口方式作一簡單介紹,希望對從事單片機和CPLD/FPGA研發(fā)的朋友能有所啟發(fā)。單片機與CPLD/FPGA的接口方式一般有兩種,即總線方式與獨立方式,分別說明如下：一、總線方式單片機

2、以總線方式與CPLD/FPGA進行數(shù)據(jù)與控制信息通信有許多優(yōu)點。（1）速度快。如圖一所示,其通信工作時序是純硬件行為,對于MCS-51單片機,只需一條單字節(jié)指令就能完成所需的讀寫時序,如： MOV DPTR,A ;MOV A,DPTR（2）節(jié)省CPLD芯片的I/O口線。如圖二所示,如果將圖中的譯碼器DECODER設(shè)置足夠的譯碼輸出,并安排足夠的鎖存器,就能僅通過19根o口線在FPGW與單片機之間進行各種類型的數(shù)據(jù)與控制信息交換。（3）相對于非總線方式,單片機編程簡捷,控制可靠。（4）在CPLD/FPGA中通過邏輯切換,單片機易于與SRAM或ROM接口。這種方式有許多實用之處,如利用類似于微處理

3、器系統(tǒng)的DMA的工作方式,首先由CPLD/FPGA與接口的高速A/D等器件進行高速數(shù)據(jù)采樣,并將數(shù)據(jù)暫存于SRAM中,采樣結(jié)束后,通過切換,使單片機與SRAM以總線方式進行數(shù)據(jù)通信,以便發(fā)揮單片機強大的數(shù)據(jù)處理能力。單片機與CPLD/FPGA以總線方式通信的邏輯設(shè)計,重要的是要詳細了解單片機的總線讀寫時序,根據(jù)時序圖來設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)。圖一是MCS-51系列單片機的時序圖,其時序電平變化速度與單片機工作時鐘頻率有關(guān)。圖中,ALE為地址鎖存使能信號,可利用其下降沿將低8位地址鎖存于CPLD/FPGA中的地址鎖存器（LATCH_ADDRES）中;當ALE將低8位地址通過P0鎖存的同時,高8位地址已穩(wěn)定

4、建立于P2口,單片機利用讀指令允許信號PSEN的低電平從外部ROM中將指令從P0口讀入,由時序圖可見,其指令讀入的時機是在PSEN的上升沿之前。接下來,由P2口和P0口分別輸出高8位和低8位數(shù)據(jù)地址,并由ALE的下降沿將P0口的低8位地址鎖存于地址鎖存器。若需從CPLD/FPGA中讀出數(shù)據(jù),單片機則通過指令“MOVXA,DPTR”使RD信號為低電平,由P0口將圖二中鎖存器LATCH_IN1中的數(shù)據(jù)讀入累加器A;但若欲將累加器A的數(shù)據(jù)寫進CPLD/FPGA,則需通過指令“MOVX ·DPTR,A”和寫允許信號WR。這時,DPTR中的高8位和低8位數(shù)據(jù)作為高、低8位地址分別向P2和P0口

5、輸出,然后由WR的低電平并結(jié)合譯碼,將累加器A的數(shù)據(jù)寫入圖中相關(guān)的鎖存器。二、獨立方式與總線接口方式不同,幾乎所有單片機都能以獨立接口方式與CPLD/FPGA進行通信,其通信的時序方式可由所設(shè)計的軟件自由決定,形式靈活多樣。其最大的優(yōu)點是CPLD/FPGA中的接口邏輯無需遵循單片機內(nèi)固定總線方式的讀寫時序。CPLD/FPGA的邏輯設(shè)計與接口的單片機程序設(shè)計可以分先后相對獨立地完成。事實上,目前許多流行的單片機已無總線工作方式,如89C2051、97C2051、Z84系列、PICI 6C5X系列等。獨立方式的接口設(shè)計方法比較簡單,在此不擬做詳細介紹。下面介紹圖二所示的總線接口邏輯設(shè)計,其外部接口如圖三所示。這是一個CPLD/FPGA與MCS-51系列單片機接口的VHDL電路設(shè)計。MCS-51以總線方式工作,例如,由8031將數(shù)據(jù)#5AH寫入目標器件中的第一個寄存器LATCH_OUT1的批令是：MOV A,#5AHMOV DPTR,#6FF5HMOVX DPTR,A當READY為高電平時,8031從目標器件中的寄存器LATCH_IN1將數(shù)據(jù)讀入的指令是：MOV D