摘要：介紹了基于ＣＰＬＤ的異步串行收發(fā)器的設計方案，著重敘述了用混合輸入（包括原理圖和ＶＨＤＬ）實現該設計的思想，闡述了在系統(tǒng)可編程（ＩＳＰ）開發(fā)軟件的應用方法與設計流程，并給出了ＶＨＤＬ源文件和仿真波形。
關鍵詞：異步串行收發(fā)器；混合輸入；在系統(tǒng)可編程；CPLD；ispLSI1016
傳統(tǒng)數字系統(tǒng)的設計主要基于標準邏輯器件并采用“Ｂｏｔｔｏｍ－Ｕｐ”（自底向上）的方法構成系統(tǒng)。這種“試湊法”設計無固定套路可尋，主要憑借設計者的經驗。所設計的數字系統(tǒng)雖然不乏構思巧妙者，但往往要用很多標準器件，而且系統(tǒng)布線復雜，體積功耗大，可靠性差，相互交流和查錯修改不便，設計周期也長。隨著電子技術的發(fā)展，采用先進的ＣＰＬＤ 復雜的可編程邏輯器件器件取代傳統(tǒng)電路已經成為技術發(fā)展的必然趨勢。Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ｉｓｐＬＳＩ是當今世界上速度最快密度最高的ＣＰＬＤ之一。它采用先進的ＩＳＰ技術，使器件無需拆卸即可在系統(tǒng)內重新配置邏輯功能。數字系統(tǒng)設計的革命性變化，使得傳統(tǒng)的“固定功能集成塊＋連線”的設計方法正逐步退出歷史舞臺，而基于芯片的設計正在成為電子系統(tǒng)設計方法的主流。
本設計選用Ｌａｔｔｉｃｅ公司生產的ｉｓｐＬＳＩ１０１６器件，并以“異步串行收發(fā)器”為例，采用現代電路與系統(tǒng)中的設計思想來說明“基于芯片的設計”在實現數字系統(tǒng)的具體應用方法。這種設計方法不僅可使硬件設計“軟件化”、縮短設計周期、提高效率，而且易于修改和“升級”。
１ 異步串行收發(fā)器的工作原理
異步串行收發(fā)器的工作原理主要包括兩部分：第一是接收串行數據并將其轉化為并行數據，第二是把并行數據以串行數據方式發(fā)送出去。由于接收和發(fā)送是異步的，所以接收部分和發(fā)送部分需要不同的時鐘。
發(fā)送部分的系統(tǒng)工作原理如圖１所示，其中ＴＸＤ７０是并行數據輸入信號，ＴＢＩＴＣＬＫ是發(fā)送器時鐘信號，ＲＥＳＥＴＦ是發(fā)送器控制模塊內部復位信號，ＭＷＤＳＬＦ是電平敏感鎖存器使能信號，ＴＲＳＴＦ是一位鎖存器模塊復位信號，ＴＸＤＡＴＡ是串行數據輸出信號。
當發(fā)送電路工作時，電平敏感鎖存器使能信號（ＭＷＤＳＬＦ）有效，并行數據被送入鎖存器，之后，控制模塊１產生并入串出移位寄存器裝入信號（ＳＴＬＤ），以在時鐘信號（ＴＢＩＴＣＬＫ）的作用下，將并行數據裝入并入串出移位寄存器，然后，控制模塊１再產生并入串出移位寄存器移位信號（ＳＴＬＤ），并在時鐘信號（ＴＢＩＴＣＬＫ）的作用下，將并行數據移出。
接收部分的系統(tǒng)工作原理如圖２所示，其中ＲＸＤＡＴＡ是串行數據輸入信號，ＲＢＩＴＣＬＫ是接收器時鐘信號，ＲＥ-ＳＥＴＦ是接收器控制模塊內部復位信號，ＭＲＤＳＬＦ為邊沿觸發(fā)鎖存器使能信號，ＲＸＤ７：０是并行數據輸出信號，ＲＤＲＤＹＦ是并行數據準備好信號。該部分電路工作時，首先在時鐘信號（ＲＢＩＴＣＬＫ）的作用下，串行數據（ＲＸＤＡＴＡ）被串入并出移位寄存器轉化為并行數據；同時，控制模塊２在行計數控制下，在一幀串行數據到并行數據轉換完成時，使邊沿觸發(fā)鎖存器使能信號ＭＲＤＳＬＦ有效；之后，在控制模塊產生的時鐘信號的作用下將并行數據鎖存到鎖存器，同時，使并行數據準備好信號（ＲＤＲＤＹＦ）有效。
２ 異步串行收發(fā)器的具體實現
硬件電路功能來用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ＣＰＬＤ來實現，用ｉｓｐＬＥＶＥＲ３．０ 進行軟件設計�？衫迷韴D和硬件描述語言ＶＨＤＬ完成源文件的設計。以下對其ＣＰＬＤ流程源文件及仿真波形作以介紹。
２．１ 用ｉｓｐＬＥＶＥＲ軟件設計ＣＰＬＤ的流程
Ｌａｔｔｉｃｅ公司新的設計工具ｉｓｐＬＥＶＥＲ可支持ｉｓｐ-ＭＡＣＨ、 ｉｓｐＬＳＩ、 ｉｓｐＧＤＸ、 ｉｓｐＧＡＬ、 ＧＡＬ器件以及具有革新意義的新的ｉｓｐＭＡＣＨ ５０００ＶＧ和ｉｓｐＭＡＣＨ ４０００ ＣＰＬＤ器件系列。用ｉｓｐＬＥＶＥＲ設計ＣＰＬＤ的源文件主要有硬件描述語言（ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ和ＡＢＬＥ－ＨＤＬ）、電路原理圖和網表五種方式。在利用該軟件設計數字電路與系統(tǒng)時，可采用原理圖、硬件描述語言以及混合輸入方式。本設計將采用混合輸入方式（原理圖與ＶＨＤＬ語言）。用ｉｓｐＬＥＶＥＲ軟件設計ＣＰＬＤ的基本流程如圖３所示。
２．２ 源文件輸入
ｉｓｐＬＥＶＥＲ軟件的系統(tǒng)庫包括３部分：可編程大規(guī)模集成電路庫（ｐＬＳＩ）、通用電路庫（ＧＥＮＥＲＩＣ）、用戶自己設計的元件庫（Ｌｏｃａｌ）。這些庫中又列出了若干子庫，而這些子庫都是以宏來定義的，如門（Ｇａｔｅ）、寄存器（Ｒｅｇｓ）、算術運算器（Ａｒｉｔｈｓ）、Ｉ／Ｏ端口等。
在原理圖輸入方式中，首先應當用這些宏來構成電路符號，然后像邏輯元件那樣畫成原理圖，同時給出它們的連線以及各個輸入輸出緩沖器電路的具體配置。由此構成的宏在原理圖上只是一些方框形的符號，沒有涉及其內部具體邏輯，因而這種宏實際上是一種所謂的頂層原理圖。與頂層原理圖對應的是底層原理圖，頂層原理圖實際上是一種由各種門和觸發(fā)器等基本邏輯器件組成的基本原理圖，可以說它是頂層原理圖的內核。除了直接用基本邏輯器件構成底層原理圖外，還可以用硬件描述語言編寫源文件模塊以作為宏，同時作為一種底層原理圖去充實、支持頂層原理圖。頂層模塊原理圖如圖４所示。
頂層宏模塊中發(fā)送器部分ＴＲＡＮＳＭＩＴＴＥＲＭ＿Ｓ的原理圖如圖５所示，電平鎖存器、一位鎖存器模塊以及控制模塊１部分可調用系統(tǒng)庫內的宏模塊，因為這一部分硬件電路已很成熟，而且并不是很復雜。調用庫內宏模塊用相對于硬件描述語言而言，其占用系統(tǒng)資源較少。
圖５中，圓圈部分的并入串出移位寄存器（ＰＳ＿ＳＨＩＦＴＲＥＧ）宏模塊可用硬件描述語言（ＶＨＤＬ）進行功能描述。其ＶＨＤＬ源文件如下：
ＬＩＢＲＡＲＹ ｉｅｅｅ；
ＵＳＥ ｉｅｅｅ．ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ １１６４．ＡＬＬ；
ｅｎｔｉｔｙ ｌｏｇｉｃ１６６ ｉｓ
Ｐｏｒｔ Ａ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｂ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｃ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ＣＬＫ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｄ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｅ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｆ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｇ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
Ｈ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ＳＥＲ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ＳＴＬＤ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ＱＨ Ｏｕｔ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ ；
ｅｎｄ ｌｏｇｉｃ１６６；
ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＢＥＨＡＶＩＯＲＡＬ ｏｆ ｌｏｇｉｃ１６６ ｉｓ
ｓｉｇｎａｌ ｔ ｌａｔｃｈ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ ｖｅｃｔｏｒ７ ｄｏｗｎｔｏ ０；
ｂｅｇｉｎ
ｐｒｏｃｅｓｓＳＴＬＤ，ＣＬＫ，ＳＥＲ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ
ｂｅｇｉｎ
ｉｆＣＬＫ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ＣＬＫ＝′１′ ｔｈｅｎ
ｉｆＳＴＬＤ＝′１′ ｔｈｅｎ
ｔ ｌａｔｃｈ７＜＝Ａ；
ｔ ｌａｔｃｈ６＜＝Ｂ；
ｔ ｌａｔｃｈ５＜＝Ｃ；
ｔ ｌａｔｃｈ４＜＝Ｄ；
ｔ ｌａｔｃｈ３＜＝Ｅ；
ｔ ｌａｔｃｈ２＜＝Ｆ；
ｔ ｌａｔｃｈ１＜＝Ｇ；
ｔ ｌａｔｃｈ０＜＝Ｈ；
ｅｌｓｅ
ｔ ｌａｔｃｈ０＜＝ｔ ｌａｔｃｈ１；
ｔ ｌａｔｃｈ１＜＝ｔ ｌａｔｃｈ２；
ｔ ｌａｔｃｈ２＜＝ｔ ｌａｔｃｈ３；
ｔ ｌａｔｃｈ３＜＝ｔ ｌａｔｃｈ４；
ｔ ｌａｔｃｈ４＜＝ｔ ｌａｔｃｈ５；
ｔ ｌａｔｃｈ５＜＝ｔ ｌａｔｃｈ６；
ｔ ｌａｔｃｈ６＜＝ｔ ｌａｔｃｈ７；
ｔ ｌａｔｃｈ７＜＝ＳＥＲ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ
ＱＨ＜＝ｔ ｌａｔｃｈ０；
ｅｎｄ ＢＥＨＡＶＩＯＲＡＬ；
圖5
頂層宏模塊中接收器部分ＲＥＣＥＩＶＥＲ＿Ｓ的原理圖如圖６所示，邊沿觸發(fā)鎖存器、串入并出移位寄存器以及控制模塊２部分可以調用系統(tǒng)庫內的宏模塊。圖中圓圈部分的計數器（ＣＯＵＮＴＥＲ９）宏模塊可用硬件描述語言（ＶＨＤＬ）進行功能描述。ＶＨＤＬ源文件如下：
ＬＩＢＲＡＲＹ ｖａｎｍａｃｒｏ；
ＵＳＥ ｖａｎｍａｃｒｏ．ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．ＡＬＬ；
ＬＩＢＲＡＲＹ ｉｅｅｅ；
ＬＩＢＲＡＲＹ ｇｅｎｅｒｉｃｓ；
ＵＳＥ ｉｅｅｅ．ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ １１６４．ＡＬＬ；
ＵＳＥ ｉｅｅｅ．ｎｕｍｅｒｉｃ ｓｔｄ．ＡＬＬ；
ＵＳＥ ｇｅｎｅｒｉｃｓ．ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．ＡＬＬ；
ｅｎｔｉｔｙ ｃｏｕｎｔｅｒ９ ｉｓ
Ｐｏｒｔ ｃｌｋ Ｉｎ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ；
ｃａｏ Ｏｕｔ ｓｔｄ ｌｏｇｉｃ ；
ｅｎｄ ｃｏｕｎｔｅｒ９；
ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｂｅｈａｖ ｏｆ ｃｏｕｎｔｅｒ９ ｉｓ
ｓｉｇｎａｌ ｃｏｕｎｔｅｒ ｉｎｔｅｇｅｒ ｒａｎｇｅ ０ ｔｏ ９；
ｂｅｇｉｎ
ｐｒｏｃｅｓｓｃｌｋ
ｂｅｇｉｎ
圖6
ｉｆｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ＝′０′ ｔｈｅｎ
ｉｆｃｏｕｎｔｅｒ＝９ ｔｈｅｎ
ｃｏｕｎｔｅｒ＜＝０；
ｅｌｓｅ
ｃｏｕｎｔｅｒ＜＝ｃｏｕｎｔｅｒ＋１；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ；
ｐｒｏｃｅｓｓｃｏｕｎｔｅｒ
ｂｅｇｉｎ
ｉｆｃｏｕｎｔｅｒ＝９ ｔｈｅｎ
ｃａｏ＜＝′１′；
ｅｌｓｅ
ｃａｏ＜＝′０′；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ；
ｅｎｄ ｂｅｈａｖ；
在上述源文件設計中，控制模塊１和控制模塊２都采用了調用宏模塊的方式。在此設計中，時序控制十分重要，而采用調用宏模塊的原理圖輸入方式能很好的控制延時參數。如果用硬件描述語言進行時序功能描述，那么經邏輯綜合、優(yōu)化后，其延時參數有時很難控制。而減小延時參數需要更多的資源來補償。
２．３ 仿真分析
ｉｓｐＬＥＶＥＲ軟件提供了強大的功能仿真和時序仿真功能，其最高仿真頻率可達３６ＭＨｚ。圖７是接收器部分的仿真波形。預接收的串行數據為：“１０１０１１１０”。而發(fā)送器部分的仿真波形如圖８所示。預發(fā)送的并行數據為：ＴＸＤ０＝‘１’，ＴＸＤ１＝‘０’，ＴＸＤ２＝‘１’，ＴＸＤ３＝‘０’，ＴＸＤ４＝‘１’，ＴＸＤ５＝‘１’，ＴＸＤ６＝‘１’，ＴＸＤ７＝‘０’。
３ 結論
該設計充分體現了ＩＳＰ技術的優(yōu)越性，使整個系統(tǒng)無論從最初方案的設計到編寫程序，還是從仿真調試到下載驗證，都顯得相當快捷和方便。采用ＩＳＰ技術具有流程簡單、無引腳損傷、可實現多功能硬件、并可為測試重構邏輯等優(yōu)點。隨著網絡技術的日益完善，通過網絡來對遠隔萬里的用戶系統(tǒng)進行軟件版本的升級換代，無疑會給廠家與用戶帶來更多方便。該異步串行收發(fā)器接收和發(fā)送的ｂｉｔ數可根據具體需要進行相應的改動，而且只需改動底層模塊中的鎖存器、串入并出移位寄存器及并入串出移位寄存器的ｂｉｔ數和計數器的大�。ǹ刂颇K部分不需改動），然后再經相關軟件的綜合和適配，即可重新下載到具體器件中。該設計中 ｂｉｔ數選擇８位，完全是出于所選器件的容量考慮。
66821730(技術支持)
