可編程ASIC器件主從式結(jié)構(gòu)開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

當前在EDA領(lǐng)域，只要具備臺式或筆記本電腦并裝有工具軟件，就可以方便地對可編程ASIC（CPLD/FPGA）進行設(shè)計開發(fā)，在系統(tǒng)可編程（ISP）器件為我們提供了這種便利條件。ISP方式雖然可以用一根下載電纜代替了編程器，但兼有提供下載和演示環(huán)境兩大功能的可編程ASIC開發(fā)系統(tǒng)對于用戶來說仍是必須的。本文提出的主從式下載開發(fā)系統(tǒng)可以適配多種目標芯片，具有較寬的開發(fā)應(yīng)用范圍，經(jīng)過幾年的教學(xué)、科研實踐，使用效果良好。

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2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

對ASIC器件設(shè)計開發(fā)的前期工作主要依靠對某種EDA工具軟件使用。對于其工具軟件和硬件編程語言，必須通過實踐鍛煉方能熟練使用和達到掌握技巧的程度。對應(yīng)用系統(tǒng)和目標芯片進行開發(fā)，先要使用EDA工具軟件所提供的文本和圖形輸入方式進行描述和綜合，并要通過仿真驗證。而后的工作就是將設(shè)計完成并通過仿真的熔絲圖文件對目標芯片下載，并在系統(tǒng)板提供的開發(fā)環(huán)境中直接進行功能演示。因而下載開發(fā)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)必須具備輸入和輸出功能。設(shè)計數(shù)字電路或系統(tǒng)往往需要多種頻率資源，故系統(tǒng)板要提供時鐘配置和頻率選擇功能。而要完成開發(fā)系統(tǒng)的復(fù)雜工作和模式選擇，系統(tǒng)控制功能也是必須的?；谝陨纤悸吩O(shè)計開發(fā)的系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。

2.1 主從式結(jié)構(gòu)
本機最大的特點是系統(tǒng)采用主從式開發(fā)結(jié)構(gòu)，將目標芯片安裝在一個小型轉(zhuǎn)接板上，再將轉(zhuǎn)接子板插到系統(tǒng)母板上配合工作。主系統(tǒng)母板是固定的，對不同的芯片只需換用不同的轉(zhuǎn)接子板，避免了以往開發(fā)系統(tǒng)只能對單一型號芯片進行開發(fā)應(yīng)用的弊端，大大拓寬了目標芯片的可選性和開發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。目前設(shè)計的開發(fā)系統(tǒng)適用于6000門規(guī)模的芯片開發(fā)，以及LATTICE、XILINX、ALTERA等多家公司的不同芯片。主從式開發(fā)結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)的通用性和易于升級，只要稍加改進就可形成從2000門到100000門以上邏輯資源、從5V 到3.3V、2.5V、1.8V兼容工作電壓的系列產(chǎn)品。

2.2 輸出部分
輸出部分主要采用數(shù)碼管顯示并有發(fā)光二極管顯示以及揚聲器發(fā)聲裝置。考慮到數(shù)碼管占用較多的用戶資源，我們采用一種動態(tài)掃描方式，在輸出數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)時同時輸出與該數(shù)據(jù)相對應(yīng)的數(shù)碼管地址，經(jīng)地址譯碼器形成數(shù)碼管選通信號。具體實現(xiàn)時用一片Isp LSI1016可編程器件配置數(shù)據(jù)選擇器和譯碼器，地址譯碼功能通過89C51單片機控制實現(xiàn)。這種方案大大節(jié)省了輸出口資源和譯碼驅(qū)動器件，提高系統(tǒng)可靠性同時減少印板空間。

設(shè)計系統(tǒng)具有三種顯示模式：準靜態(tài)顯示、十六進制碼輸入動態(tài)顯示和段碼輸入動態(tài)顯示，用戶通過撥碼開關(guān)或跳線進行模式選擇。

2.3 輸入部分
采用8鍵KEY 0~ KEY 7，鍵盤信號經(jīng)89C51單片機處理后通過三態(tài)緩沖門送至用戶芯片，根據(jù)不同工作要求，鍵盤設(shè)計有四種輸入模式：琴鍵模式、乒乓模式、脈沖模式和二進制計數(shù)模式。除此之外第八鍵還可為特殊功能做單步時鐘輸入模式。

2.4 時鐘資源及分頻
使用ISPLSI1016同時配置時鐘產(chǎn)生單元，系統(tǒng)由晶振產(chǎn)生32768 Hz時鐘，經(jīng)1016內(nèi)部分頻可以輸出十種頻率，這十種頻率與另外單獨產(chǎn)生的12 MHz信號組合使用（分為四組），可基本滿足設(shè)計需要。對1016的ABEL-HDL語言描述（包括配置信號源部分的計數(shù)、分頻和顯示部分的譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器）如下：

MODULEDIVCLK

TITLE ‘THIS IS THE HEX BITS COUNTER OF BIN &BCD CODE TO 7 SEGMENT CODE CODER’

CK PIN 11; “Y0時鐘輸入”

EN PIN 15; “段碼輸入使能”

Q0,Q2,Q4,Q8,Q9,Q10,Q11,Q12,Q13,Q14,Q15 PIN 43,42,41,40,39,38,37,32,27,26,10

ISTYPE ‘COM’; “分頻器輸出”

NQ0,NQ2,NQ4,NQ8,NQ9,NQ10,NQ11,NQ12,NQ13, NQ14,NQ15 NODE ISTYPE ‘REG_D’;

C0,C1,C2,C3,C4,C5,C6 PIN 8,7,6,5,4,3,44 ISTYPE ‘COM’; “最終結(jié)果輸出”

A,B,C,D PIN 19,18,17,16; “十六進制碼輸入”

IN0,IN1,IN3,IN4,IN5,IN6 PIN 20,21,22,31,30,29,28;

“段碼輸入”

CLKIN NODE ISTYPE’COM’;

Q1,Q3,Q5,Q6,Q7 NODE ISTYPE’COM’;

NQ1,NQ3,NQ5,NQ6,NQ7 NODE ISTYPE ‘REG_D’;

QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG NODE ISTYPE ‘COM’;

BOUNT=〔Q15..Q0〕; “分頻器輸出”

COUNT=〔NQ15..NQ0〕;

INPUT1=〔QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG〕;

“譯碼結(jié)果輸出”

INPUT0=〔IN0..IN6〕; “段碼輸入”

OUTPUT0=〔C0..C6〕; “最終結(jié)果輸出”

EQUATIONS

CLKIN=!CK; “該段為計數(shù)分頻器”

COUNT.CLK=CLKIN;

COUNT.D=COUNT.Q+1;

BOUNT=COUNT.Q;

TRUTH_TABLE﹙〔D,C,B,A〕->〔QA,QB,QC,QD, QE,QF,QG〕﹚

〔0,0,0,0〕->〔1,1,1,1,1,1,0〕; “該段為譯碼器”

〔0,0,0,1〕->〔0,1,1,0,0,0,0〕;

〔0,0,1,0〕->〔1,1,0,1,1,0,1〕;

〔0,0,1,1〕->〔1,1,1,1,0,0,1〕;

〔0,1,0,0〕->〔0,1,1,0,0,1,1〕;

〔0,1,0,1〕->〔1,0,1,10,1,1〕;

〔0,1,1,0〕->〔1,0,1,1,1,1,1〕;

〔0,11,1〕->〔1,1,1,0,0,0,0〕;

〔1,0,0,0〕->〔1,1,1,1,1,1,1〕;

〔1,0,0,1〕->〔1,1,1,1,0,1,1〕;

〔1,0,1,0〕->〔1,1,1,01,1,1〕;

〔1,0,1,1〕->〔0,0,1,1,1,1,1〕;

〔1,1,0,0〕->〔1,0,0,1,1,1,0〕;

〔1,1,0,1〕->〔0,1,1,1,1,0,1〕;

〔1,1,1,0〕->〔1,0,0,1,1,1,1〕;

〔1,1,1,1〕->〔1,0,0,0,1,1,1〕;

EQUATIONS

WHEN EN==1 THEN OUTPUT0=INPUT1；

“該段為數(shù)據(jù)選擇器”

WHEN EN==0 THEN OUTPUT0= INPUT0；

END

2.5 控制部分
控制部分是系統(tǒng)整機協(xié)調(diào)工作和智能化管理的核心部分，采用89C51單片機實現(xiàn)控制功能是其關(guān)鍵，采用單片機不但方便監(jiān)控，并且大大減少硬件設(shè)計。如上所述，其主要控制功能包括顯示譯碼與時鐘模式選擇，數(shù)碼管掃描和鍵盤數(shù)據(jù)的處理均由軟件完成。其中軟件設(shè)計時考慮到“去抖動”、 “單鍵處理”問題，并且為防止運行程序受干擾時“跑飛”而造成死機，在程序中加入軟件“看門狗”，通過89C51的T1中斷實現(xiàn)監(jiān)控功能。

2.6 A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口及其它
系統(tǒng)設(shè)置A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口，采用美國TI 公司的高速串行8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC549和四通道串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5620，可以滿足要求。另外預(yù)留 VGA視頻輸入端和九芯用戶外接接口以備之需。

3 整機電路及技術(shù)指標

3.1 整機設(shè)計
完成整機設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示，電路圖和印制版圖略。

3.2 主要技術(shù)指標和特點

• 穩(wěn)壓電源：+5V
• 工作電流：360mA
• ISP下載方式和七芯下載電纜

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• 89C51監(jiān)控方式

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• 數(shù)碼顯示：8位數(shù)碼管；三種顯示模式：靜態(tài)顯示、十六進制碼輸入動態(tài)顯示、段碼輸入動態(tài)顯示；靜態(tài)數(shù)碼管掃描頻率：10Ms/幀；動態(tài)顯示允許用戶最高掃描頻率：＞100Hz

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• 輸入部分：八個鍵盤、11種頻率信號；四輔助電路的同步整流電路。經(jīng)仿真和實驗表明，采用這些優(yōu)化拓撲將會有效地降低損耗，使同步整流效率明顯提高。
  

  參考文獻：

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