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单片机与FPGA/CPLD接口逻辑设计
姓名 刘伟
学号 0903609029
班级 通信工程
单片机与FPGA/CPLD接口逻辑设计
一 论文摘要:设计MCS-51单片机与FPGA通信的接口逻辑电路,实现单片机与可编程逻辑器件数据与控制信息的可靠通信。使可编程逻辑器件与单片机相结合,优势互补,组成灵活的、软硬件都可现场编程的控制系统设计采用的是VHDL语言的文本输入方式,设计比较灵活,按照接口的要求接口主要有并行接口和总线接口利用仿真软件Quartus Ⅱ进行分析综合、功能仿真与时序仿真,生成分析报告以及内部逻辑电路,并得出仿真结果,验证接口的可行性。关键词:单片机FPGA,接口数据通信§2-1-1设计思想:FPGA作为一种新型的可编程逻辑器件,可以取代现有的全部微机接口芯片,实现微机系统中的存储器、地址译码等多种功能,具有更高的密度、更快的工作速度和更大的编程灵活性,被广泛的应用于各种电子类产品中。在功能上,单片机具有性价比高、功能灵活、易于人机对话、强大的数据处理能力等特点。但受其内部资源的限制,在很多应用中,单片机需要在片外扩展相关资源,如程序存储器、数据存储器、I/O口以及中断源等FPGA具有高速、高可靠性以及开发便捷、规范等优点,使其有机结合,缩短开发周期,适应市场需要。FPGA/CPLD具有高速、高可靠以及开发便捷、规范等优点,在功能上与单片机有很强的互补性。FPGA的总线接口逻辑电路,实现了单片机与FPGA数据与控制信息的可靠通信,是FPGA与单片机优势互补,组成灵活的、软硬都可现场编程的控制系统,广泛应用在各个领域
§2-1-2 FPGA技术发展概况国内外发展状况自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件(FPGA)至今,FPGA已经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中,以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展:现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门,发展到90年代的25万个可利用门,乃至当新世纪来临之即,国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片,将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。目前,FPGA技术已经跃之为电子应用(包括通讯技术、计算机应用、自动控制、仪器仪表、ASIC 设计)领域广受欢迎的实用化技术,成为数字系统的科研实验、样机试制、小批量产品的即时实现的最佳途径。同时,FPGA 器件的新功能、新构思正在不断出现,目前FPGA/ CPLD供货商全部来自美国公司,主要是Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel 等。其中以Xilinx和Altera的市场占有率最大,是最大的可编程集成电路供货商FPGA技术的应用及发展趋势() 深亚微米技术的发展正在推动了片上系统(SOPC)的发展。
(2)芯片朝着高密度、低压、低功耗的方向挺进。
(3)IP库的发展及其作用。
)速度不断提高,性能不断提升。
FPGA动态可重构技术意义深远
总线接口逻辑设计由于单片机以总线方式与FPGA/CPLD进行数据与控制信息通信有许多优点,因此在设计中,单片机与FPGA/CPLD接口采用总线方式。
§21 对MCS51单片机与FPGA/CPLD以总线方式通信的逻辑接口设计,应该详细了解MCS51单片机的总线读/写时序,并根据时序图来设计逻辑结构。MCS51单片机总线读/写的时序如图3所示,其时序电平变化速度与单片机工作时钟频率有关。
图3 MCS51单片机总线读/写时序
CLK为单片机时钟信号,ALE为地址锁存使能信号。在读/写周期开始后,CPU把低8位地址送到P0口总线上,把高8位地址送到P2口总线上,利用ALE下降沿可将低8位地址锁存于地址锁存器中,而高8位地址信息一直锁存在P2口锁存器中;同时单片机利用读指令允许信号PSEN的低电平从ROM中将指令从P0口读入,其指令读入的时机是在PSEN的上升沿之前。接下来,由P2口和P0口分别输出高8位和低8位数据地址,并由ALE的下降沿将P0口的低8位地址锁存于地址锁存器。然后根据读/写信号的状态读写外部数据,把数据送到P0口总线上;数据读/写的时机是在读/写信号的上升沿之前,将数据读入单片机或写入被寻址的地址单元。当读/写信号变为无效电平后,P0口总线变为悬浮状态,为下次总线读/写做好准备。
通过对MCS51单片机总线读/写时序的分析,可以在FPGA/CPLD中设计一个总线接口模块,实现单片机三总线信号的编码。由于在总线应用时,MCS51单片机的P0口是作为地址/数据总线分时复用的,因此应在总线接口模块中设计一个三态缓冲器,实现P0口的三态接口;又因为MCS51单片机在访问外部空间时,它的地址为16位,因此借助地址锁存使能信号ALE在FPG
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