基于SRAM的可重配置电路PLD

由于SRAM的可重配置PLD（可编程逻辑器件）的出现，为系统设计者动态改变运行电路中PLD的逻辑功能创造了条件。PLD使用SRAM单元来保存字的配置数据决定了PLD内部互连和功能，改变这些数据，也就改变了器件的逻辑功能。由于SRAM的数据是易失的，因此这些数据必须保存在PLD器件以外的EPROM，EEPROM或FLASH ROM等非易失存储器内，以便系统在适当的时候将其下载到PLD中，从而实现在电路可重配置ICR（In-Circuit Reconfigurability，在电路可重配置）。如何实现ICR？ALTER公司的应用方案AN88中详细介绍一种基于DS87C520微控制器的ISP&ICR设计方法，并钭其源代码放在ALTERA的网上，供用户免费下载。作者在设计一要求具有ICR功能的电子装置时，在详细分析了AN88介绍的方法之后，发现该应用方案中介绍的电路结构复杂，对微控制器性能及微控制器的开发装置的要求和成本都较高，且只适用于工作电压为5V的PLD电路。本文介绍的是作者设计的PLD ICR控制电路，它和ALTERA介绍的方法相比，不但线路结构简洁、开发容易、体积小、成本低，而且只需改变ICR控制电路的电源电压，就能实现工作电压为3.3V或5V的PLD器件的电路内重配置。
ICR控制电路硬件原理
ICR控制电路原理图如图1所示。图中的U1是ICR控制电路的核心器件，它是PHILIPS公司在1999年底推出的20引脚低成本的微控制器P87LPC762，该微控制器具有2K字节的程序存储器、128字节的RAM、18/15个I/O、WATCHDOG、通用串行接口UART和一个硬件I2C总线控制器。P87LPC762采用的是80C51加速处理器结构，其指令和80C51兼容，但指令的执行速度在相同时钟下，是标准80C51微控制器的两倍。因它采用的是硬件I2C总线控制器节省大量的软硬件资源。U2、U3是ATMEL公司的串行EEPROM AT24C256，其串行通信协议为I2C，容量为32K字节。在电路中，U2和U3有来存储PLD的配置数据。

ICR控制电路的工作过程为：经MAXPLUS Ⅱ编译生产的PLD配置文件经过预处理后，通过PC机的串行通讯口下载到U1中，并在U1的控制下存储在EEPROM U2和U3中，U1再根据系统的要求通过P0.2、P0.3、P0.4、P0.6和P0.7等5个I/O口，将其存储在U2和U3中的PLD配置数据下载到电路中的PLD。
因作者设计电路中的PLD是ALTERA公司的ACEX系列的EP1K30，其配置文件的容量为52K字节，故电路中采用了两片AT24C256存储PLD的配置数据。如果配置的PLD是EPF10K10或EPF10K20，则只需要一片AT24C256，此时整个ICR控制电路仅仅只有两片IC，这可以说它是目前结构最简单、成本最低的ICR控制电路了。读者在应用该电路时，可根据其PLD文件的大小（PLD的配置文件的大小可参考ALTERR公司的应用方案AN116）采用1～4片AT24C256。
ICR控制电路软件设计要点
在图1介绍的ICR控制电路中，其存储PLD配置数据的EEPROM AT24C256采用I2C串行总线进行数据交换，其数据交换速度较慢（当工作电压为5V时，其最大I2C总线时钟为1MHz），而PLD配置数据又比较大，通常都在数十K字节以上。因此如何提高图1介绍的ICR控制电路的配置速度，这将是软件设计上的一个重点。
ALTERA公司生产且具有ICR功能的PLD器件有FLEX6000、FLEX10K、APEX和ACEX系列，它们的配置方式可分为PS（无源串行）、PPS（无源并行同步）、PSA（无源并行异步）、PSA（无源串行异步）和JTAG（Joint Test Action）等四种方式，在这四种方式，PS方式因PLD与配置电路的互连最简单，对配置时钟的最小频率没有限制而应用最广泛，因此在图1介绍的ICR控制电路中也采用PS配置方式来实现ICR功能。图2是PS配置方式的时序图。

数据从AT24C256读出时，可采用读当前地址、随机读和顺序读三种方式。这三种方式中，顺序读的最简单，速度最快，因为在同一片AT24C256中，仅需要写入一次读命令就可以按顺序从0地址开始直至读完整片AT24C256中的全部数据。AT24C256顺序读的时序图如图3所示。

比较图2和图3，可以看出PLD的PS配置时序图和AT24C256顺序读时序图有很多相似之处，其唯一的差别在于：在PS配置方式中，其数据配置顺序是序列的最低位最先输入，而I2C总线读过程则是其序列的最高位最先输出，它们之间的输入和输出顺序刚好相反。如果将PLD的配置文件通过一定的预处理，使其配置数据的最低位存储在EEPROM的最高位上，则在配置过程中，从EEPROM I2C总线上读出的当前位数据正好是PS配置时需要输入到PLD中去的当前位，这将是提高ICR的配置速度，缩短配置时间的最有效措施，其具体过程如下：
用户设计的PLD程序经MAXPLUS Ⅱ的编绎后将产生一个后缀为.sof的SRAM的SRAM目标文件，该文件含有除配置数据以外的控制字符，不能直接写入到PLD中去，需要利用MAXPLUS Ⅱ的编程文件转化功能使其生成一个后缀为.ttf的表格文本文件，该文件是不带任何附加符号的PLD配置文件，可以直接配置到PLD中去。该文件中每一字节在下载到ICR控制电路的EEPROM之前，将D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0变换为D0 D1 D3 D4 D5 D6 D7之后再写入EEPROM中，则在PLD配置过程中，其配置数据不经任何处理，从EEPROM读出的当前位数据就是此时需要配置到PLD中去的当前位数据（这是作者为什么采用时钟频率较慢的I2C的EEPROM，而没有采用时钟频率相对较快，但没有顺序读功能的SPI接口的EEPROM的原因），从而达到了缩短ICR控制电路配置时间的目的。
结论
本文介绍了一种基于微控制器的PLD ICR控制电路，该控制电路结构简单、占用空间小、性价比较高，适用于需要ICR功能的电子装置中，该ICR控制电路是为配置ALTERR系列PLD器件来设计的，稍加屐也适用于XILINX公司的FPGA器件。这个配置电路的主要弱点在于配置速率较慢，只能适应用于配置速率要求不高的应用。
注：文中的一个概念是ICR（In-Circuit Reconfigurability，在电路可重配置），ICR是ALTERA提出的概念，它和目前ISP（In System Programmabled，在系统编程）相并列的一个概念与IAP（In Application re-Programmable）的意义相差不大。但笔者使用的是ALTERA的PLD，因此在文中采用了ICR这个概念。