如何實(shí)現(xiàn)PLD與AVR通信接口設(shè)計(jì)

1、引言

嵌入式系統(tǒng)在日常生活中的大量使用，人們也對(duì)其性能和速度提出了更高的要求。微控制器和可編程邏輯器件的結(jié)合，更能充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的微控制器與可編程邏輯器件之間總線讀寫方式通信比傳統(tǒng)的串行通信更可靠、速度更快。下面是一些相關(guān)術(shù)語(yǔ)的說明。

總線：任何一個(gè)微處理器都要與一定數(shù)量的部件和外圍設(shè)備連接，但如果將各部件和每一種外圍設(shè)備都分別用一組線路與CPU直接連接，那么連線將會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用一組線路，配置以適當(dāng)?shù)?a target="_blank">接口電路，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線[2]。采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其制定了統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)則容易使不同設(shè)備間實(shí)現(xiàn)互連。

AVR：ATMEL公司的AVR單片機(jī)，是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，芯片上的Flash存儲(chǔ)器附在用戶的產(chǎn)品中，可隨時(shí)編程，再編程，使用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)容易，更新?lián)Q代方便。AVR單片機(jī)采用增強(qiáng)的RISC結(jié)構(gòu) ，使其具有高速處理能力，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令。本系統(tǒng)采用的AVR Mega64L還具有：用32個(gè)通用工作寄存器代替累加器，從而可以避免傳統(tǒng)的累加器和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送造成的瓶頸現(xiàn)象；一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令；可直接訪問8M字節(jié)程序存儲(chǔ)器和8M字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寄存器等特點(diǎn)[3]。

PLD（Programmable Logic Device）：PLD分為CPLD（Complex Programmable Logic Device）復(fù)雜的可編程邏輯器件和FPGA（Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列兩大類[2、3]。

兩者的功能基本相同，只是實(shí)現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時(shí)可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或CPLD/FPGA。PLD是一種具有豐富的可編程I／O引腳的可編程邏輯器件，具有在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點(diǎn)；不但可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能。把PLD應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，同單片機(jī)結(jié)合起來(lái)更能體現(xiàn)其在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點(diǎn)。PLD同單片機(jī)接口，可以作為單片機(jī)的一個(gè)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)所要求的功能。實(shí)現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，也提高了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的性能。

VHLD：VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,一種被IEEE和美國(guó)國(guó)防部確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分)和內(nèi)部（或稱不可視部分），涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分[4,5]。在對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。

2、PLD同單片機(jī)接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采用的MAX II EPM570 芯片有邏輯單元數(shù)（LE）570個(gè)，等效典型宏單元數(shù)440個(gè)，最大用戶I/O管腳數(shù)160個(gè)，用戶Flash存儲(chǔ)器比特?cái)?shù)8192，tPD1 角對(duì)角性能5.5 ns，tPD2最快性能3.7 ns。采用100-pin TQFP封裝。

EPM570同單片機(jī)接口原理如圖1所示。

圖1 ATmega64L與EPM570接口示意圖

EPM570同單片機(jī)接口設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采用Atmel公司的AVR系列的ATmega64L。ATmega64L通過ALE、CS、RD、WE、P0口（數(shù)據(jù)地址復(fù)用）同EPM570芯片相連接。ALE：地址鎖存信號(hào)；CS：片選信號(hào)；RD：讀信號(hào)；WR：寫信號(hào)；AD0～AD7：數(shù)據(jù)地址信號(hào)復(fù)用數(shù)據(jù)線。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：在EPM570設(shè)置兩個(gè)內(nèi)部控制寄存器，通過單片機(jī)對(duì)兩個(gè)控制寄存器的讀寫來(lái)完成對(duì)其它通信過程的控制。EPM570設(shè)置的兩個(gè)控制寄存器，可以作內(nèi)部寄存器，也可以直接映射為I/O口，根據(jù)實(shí)際需要而進(jìn)行設(shè)置。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是：在EMP570 上實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器的讀寫時(shí)序要滿足ATmega64L對(duì)外部讀寫時(shí)序的需要，有關(guān)ATmega64L對(duì)外部讀寫時(shí)序請(qǐng)參考相關(guān)資料和ATmega64L的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

3、PLD同單片機(jī)AVR讀寫接口VHDL實(shí)現(xiàn)

PLD的設(shè)計(jì)流程[6,7]一般應(yīng)包括以下幾部分：

① 設(shè)計(jì)輸入?？梢圆捎迷韴D輸入、DHL語(yǔ)言描述、EDIF網(wǎng)表讀入或波形輸入等方式。

② 功能仿真。此時(shí)為零延時(shí)模式，主要檢驗(yàn)輸入是否有誤。

③ 編譯。主要完成器件的選取及適配，邏輯的綜合及器件的裝入，延時(shí)信息的提取。

④ 后仿真。將編譯產(chǎn)生的延時(shí)信息加入到設(shè)計(jì)中，進(jìn)行布局布線后的仿真，是與實(shí)際器件工作時(shí)的情況基本相同的仿真。

⑤ 編程驗(yàn)證。有后仿真確認(rèn)的配置文件下載到PLD相關(guān)配置器件中，加入實(shí)際激勵(lì)，進(jìn)行測(cè)試，以檢查是否完成預(yù)定功能。

以上各步驟若出現(xiàn)錯(cuò)誤現(xiàn)象，則需要重新回到設(shè)計(jì)階段，修正錯(cuò)誤輸入或調(diào)整電路，在重復(fù)上述過程直到其完全滿足電子系統(tǒng)需要。

本系統(tǒng)中，使用Altera公司提供的集成開發(fā)軟件Quartus II 6.0 進(jìn)行設(shè)計(jì)，在進(jìn)行模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)請(qǐng)參考ATmega64L的數(shù)據(jù)手冊(cè)中關(guān)于ATmega64L對(duì)外部存儲(chǔ)器的讀寫時(shí)序。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 的VHDL部分源碼如下：

地址鎖存：

寫數(shù)據(jù)進(jìn)程：

讀數(shù)據(jù)進(jìn)程：

4、仿真驗(yàn)證結(jié)果

使用Quartus II 6.0 自帶的仿真軟件仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。圖中ale、cs、rd、we、mcu_data 是激勵(lì)信號(hào)，表示ATmega64L 相應(yīng)接口信號(hào)，conreg1和 conreg2 為EPM570 輸出信號(hào)，其目的是為了觀察仿真結(jié)果是否正確，而實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目需求而進(jìn)行添加或是減少相應(yīng)的I/O口。

圖2是ATmega64L向 EPM570 寫數(shù)據(jù)過程。首先，在片選信號(hào)cs為低期間，在ale信號(hào)的下降沿，鎖存mcu_data上的數(shù)據(jù)到add內(nèi)部地址鎖存寄存器。然后，在we信號(hào)低電平時(shí)，把mcu_data (0XAA)的數(shù)據(jù)直接寫到conreg1（B10101010），通過外接指示燈可以直接觀察結(jié)果是否正確，當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中可以把數(shù)據(jù)鎖存到內(nèi)部寄存器中。

圖2寫數(shù)據(jù)0X“AA”到0地址處

圖3是讀數(shù)據(jù)過程。在片選信號(hào)為低期間，首先，在ale信號(hào)的下降沿，鎖存mcu_data(0X01)數(shù)據(jù)到add內(nèi)部地址鎖存寄存器。然后，在rd信號(hào)的低電平期間，把內(nèi)部寄存器地址為0X01的數(shù)據(jù)reg02（0xAA）讀到mcu_data數(shù)據(jù)線上傳回單片機(jī)ATmega64L。

圖3 讀地址為0X“01”上的數(shù)據(jù)0x“AA”并傳回?cái)?shù)據(jù)總線

從讀寫數(shù)據(jù)圖中可以看出，ATmega64L對(duì)EPM570內(nèi)部數(shù)據(jù)讀寫過程完全滿足ATmega64L數(shù)據(jù)手冊(cè)上的時(shí)序需要。關(guān)于ATmega64L的讀寫時(shí)序可以參考ATmega64L數(shù)據(jù)手冊(cè)。

5、結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)PLD與AVR ATmega64L通信接口設(shè)計(jì)是筆者設(shè)計(jì)的一種紡織機(jī)械控制設(shè)備的一部分，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證完全正確，并已投入生產(chǎn)。簡(jiǎn)單地修改該讀寫通信模塊，可應(yīng)用于多個(gè)CPLD或FPGA與單片機(jī)通信接口的項(xiàng)目中，本模塊還可以根據(jù)需要擴(kuò)展為16位、32位地址線的讀寫接口。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：充分利用可編程邏輯器件豐富的I/O口和內(nèi)部可編程邏輯資源，通過總線讀寫的方式通訊，使PLD和MCU的通信速度大大提高，同時(shí)也提高了嵌入式系統(tǒng)或是工業(yè)控制中的其他相關(guān)性能，極大提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。