摘要：可編程外圍器件PSD應用于單片機系統后，簡化了單片機外圍電路的設計，增加了系統的可靠性；利用PSD與單片機組成的系統，通過計算機串口對FPGA進行實時在線編程、仿真和配置。

關鍵詞：可編程外圍器件（PSD） 在應用可編程（IAP） 可編程門陣列（FPGA)

隨著單片機的廣泛應用，其性能不斷提高，集成度也日益提高。然而，傳統的單片機系統設計需要眾多分離器件（如地址鎖存器、譯碼器、RAM、EPROM、PLD等），使得系統復雜、可靠性低，并且調試繁瑣、效率較低。可編程門陣列（FPGA）需要外置存儲器，且配置存儲器多為OTP型，價格較高；加之，利用FPGA的JTAG口配置FPGA距離有限，調試不甚方便。

本文主要介紹一種基于閃爍存儲器的在線可編程微處理器外圍器件PSD813F2組成的單片機系統，同時利用該系統配置FPGA。即通過計算機串口將FPGA（本文以Altera公司10K系列為例）設計在線下載到單片機系統，由PSD813F2配置FPGA，實現IAP（In Application Programming）的功能。

1 PSD813F2性能特點

PSD813F2是PSD（Programmable System Devices）家庭的新成員，是基于閃爍存儲器的在線可編程外圍器件。它將單片機系統所需的外圍器件集成在一起，并能與單片機進行無縫連接，因而簡化了調度，提高了可靠性；同時，它與當前流行的眾多單片機有極簡單的接口，便于實現簡單、靈活的嵌入式設計；它還集成了優化的“微控制器宏單元”邏輯結構，使得系統地址/數據總線可以與內部寄存器直接互連，簡化了控制總線的設計。此外，PSD813F2還具有以下一些特性：

①內部數據總線為8位，可方便地與各類8位單片機直接相連。如要與16位單片機相連，需用2片PSD813F2構成16位的多路復用接口，并且地址必須循環移位，以保證MCU工作時能同時正確接收不同PSD813F2 ROM中的信息。

②內部包含1Mbit的大容量Flash ROM，這分為8個大小相同的塊（如128K×8bit或64K×8bit），由用戶規定的地址訪問；另外還有256K的Flash OPT ROM及16KB的SRAM，其中SRAM可配置為2K×8bit或16K×1bit。

③內存（Flash ROM）或Flash OPT ROM可同時編程，即在執行來自一個存儲器的代碼時可同時對另一個存儲器編程。

④帶有16個輸出宏單元和24個輸入宏單元，能方便實現多種邏輯組合功能，包括內外的狀態信號產生、地址譯碼等。

⑤帶有27個可重建的I/O端口，可以用作不同的I/O端口，如單片機的I/O、PLD的I/O；最多可提供19個外部片選信號，其中16個I/O可配置為漏極輸出。

⑥具有可編程電源管理功能（PMU），加之低功耗的CMOS技術，使得其工作時功耗很低；另外還具有自動檢測控制器工作的功能，使之在不工作時將PSD轉入低功耗狀態。

由于PSD813F2具有以下特性，因而能方便實現I/O重建、擴展，并具有通過編程改變設計的靈活性，方便與各類不同單片機實現無縫連接。其內部框圖如圖1所示。

2 系統設計

整個設計是利用計算機將FPGA的相關設計經單片機傳送存儲器，由單片機配置PSD813F2，再由PSD813F2配置FPGA，實現IAP的功能，特別適于較遠距離在線編程、仿真。另外，利用計算機的串行口可以與單片機進行較長距離的通信。

此外，由于PSD813F2片內有編程邏輯宏單元（CPLD），所以在MCU與PSD813F2之間不需要地址鎖存器及外部程序存儲器；并且PSD與LCD、FPGA的接口地直接用其PA、PB口連接，只需在軟件設計和MCU程序中相應設計為I/O模式或地址鎖存模式。

另外，FPGA的使用中通常需要時鐘信號，并可能需用好幾路同的時鐘信號。在系統中采用ICS公司的ISC501倍頻芯片，可實現2×～8×共8種倍頻方式，最高可實現160MHz時鐘；加之使用內部分頻，可以滿足多數設計需要。

系統設計框圖如2所示。

3 MCU與PSD813F接口設計

PSD813F2具有大容量Flash ROM、16個輸出宏單元和24個輸入宏單元，因而在與單片機組成系統時很少需要外圍分立器件，多數通過PSD813F2中的宏單元邏輯組合產生與單片機連接的地址總線、數據總線、控制總線；同時，通過內部的邏輯譯碼產生對3塊獨立存儲區片選信號。另外，單片機與PSD813F2D內部宏單元的D觸發器直通，使得設計計數器、外圍邏輯控制極為方便。

PSD813F2內部包含3塊并行、相互獨立的存儲器區，獨立或并行的單片機在任何時候都可以從一塊存儲器執行擦寫另一塊存儲器的操作。這使得單片機能夠在執行程序期間，通過改變PSD內控制器的內容，而動態改變程序和數據空間的地址范圍；同時，系統也能對邏輯資源、擴展輸入和輸出端口進行編程，使系統具有實時ISP的能力。

4 PSD813F2與FPGA接口設計

PSD813F2可以配置Altera或Xilinx的FPGA（本文以Altera的為例）。Altera公司的EPF10K10/20是其萬門級FPGA的代表，原來需要外置存儲器，且配置存儲器EPC1441是OTP型，價格較高；而PSD813F2具有很好的在線編程功能，并且擦寫次數10萬次，同時，1片PSD813F2可以配置10片EPF10K10，因而其具有良好的性價比。

用PSD813F2配置Altera公司的EPF10K系列FPGA，主要有以下信號：

DCLK——輸入移位時鐘；

DATA——數據；

nSTATUS——狀態信號；

CONF_DONE——配置是否成功信號；

nCONFIG——開始配置信號。

在實際配置電路中采用FPGA的被動串行方式，因而EPF10K系列FPGA的MSE0、MSE1均接地；同時nSTATUS、CONF_DONE、nCONFIG均需通過上拉電阻接電源。配置接口的信號線只需由PSD813F2的PA或PB口配置即可，如圖3所示。

5 軟件設計

PSD813F2編程是在硬件基礎上，利用專用開發軟件PSDsoft進行系統開發的；而PSDsoft是一套在Windows環境下運行的軟件工具，運用可視化界面進行編程，具有人機交互功能，其一般開發流程如圖4所示。

然而對于單片機系統，更熟悉的是采用C51或匯編進行編程。利用單片機對PSD813F2進行配置時，所使用的C51程序中最主要的是對PSD813F2進行初始化的子程序：

void InitPSD813F2(void){ ；初始化程序

//PA0 LCD_R/W ；定義PA0為LCD讀寫

//PA1 LCD_RS ;定義PA1為LCD復位

//PA2 FPGA_DCLK ；定義PA2為FPGA時鐘

PSDPACtrlReg=0x03 ；//設定PA口的讀寫模式

PSDPADir=0xff;

PSDPADri=0x00;

//PB0 FPGA-CON_DONE

//PB1 FPGA-nSTATUS

//PB2 FPGA-DATA

//PB3 FPGA-nCONFIG

//PB4 LCD-CS_LCD

PSDPBCtrlReg=0x00 ；//設定PB為MCU的讀寫

PSDPBDir=0x0fc ；//設定PB讀寫模式

PSDPBDri=0x00；

}

完整的PSD源程序請見網絡補充版（http://www.dpj.com.cn）。

結束語

由于PSD813F2具有高的集成度和很強的在線編程功能，與單片機組成系統后可方便地嵌入FPGA的配置中。實際開發的系統能夠滿足各類FPGA配置的要求，同時，實際用VC開發的應用于實際的程序下載到PSD后，可實時下載程序到PSD，也可上載PSD的任一MainFlash的數據到計算機，也可隨時監測PSD片內任一RAM中的數據，真正做到了ISP、IAP。另外，配置Altera的FPGA與Xilinx的FPGA時，達到了與外置配置存儲器完全相同的效果。

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