基于PLD和串行總線擴(kuò)展系統(tǒng)控制功能

　　在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的架構(gòu)開(kāi)發(fā)時(shí)，架構(gòu)師和設(shè)計(jì)師很少對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制方面予以重視。最好的情況是，系統(tǒng)控制在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮中排第二位。而最壞的情況是直接被遺忘，直到設(shè)計(jì)后期，板上只有很小的空間能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能，也不可能再有時(shí)間來(lái)重新進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　過(guò)去，設(shè)計(jì)師常常會(huì)使用一些方法來(lái)解決這些問(wèn)題：請(qǐng)軟件設(shè)計(jì)師想辦法在軟件中實(shí)現(xiàn)某些控制功能;在電路板上四處增加小的PLD，因?yàn)槭艿诫娐钒蹇臻g限制而不得不忍受布局布線的不便和擁擠;或者，以時(shí)間進(jìn)度為由，犧牲某些功能。這些方法聽(tīng)起來(lái)都不怎么樣。我們需要一種方法，最大限度地減少電路板的面積和布線，同時(shí)減少微處理器的使用并且實(shí)現(xiàn)所需的功能。

　　CPLD和小型FPGA往往是這種情況下的首選解決方案。使用CPLD和FPGA，設(shè)計(jì)人員可以不再需要集中監(jiān)測(cè)和控制，而更多的采用本地化控制和分配。創(chuàng)建一條通信路徑，盡可能地減少中央處理器和分布的PLD之間的連接，將會(huì)是一個(gè)最接近理想的解決方案。幸運(yùn)的是，串行外設(shè)接口（SPI）標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)部集成電路（I2C）標(biāo)準(zhǔn)就是理想的低開(kāi)銷的通信路徑，他們最初分別由Motorola公司和Phillips公司開(kāi)發(fā)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并非設(shè)計(jì)用于提供大多數(shù)數(shù)據(jù)路徑所需的高吞吐量，但它們?cè)诒O(jiān)控和控制應(yīng)用中表現(xiàn)良好，相比之下這些應(yīng)用中的延遲問(wèn)題不是那么重要。

　　將FPGA和CPLD的靈活性和這些低開(kāi)銷總線相結(jié)合，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了大量的系統(tǒng)控制功能，同時(shí)最大限度地減少所需的電路板面積。

　　低速串行總線

　　從物理學(xué)和電氣學(xué)的角度來(lái)看，SPI和I2C都是低開(kāi)銷的總線標(biāo)準(zhǔn)，一般從電路板實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看就很容易理解。I2C只需要兩個(gè)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)：SDA（數(shù)據(jù)線）和SCK（時(shí)鐘線）。這些線路都是漏極開(kāi)路，并要求端接上拉電阻。這些連線可以跨越多個(gè)主器件和從器件，如圖1所示。該電路還需要的唯一一個(gè)額外要求就是使用適當(dāng)?shù)亩私由侠娮鑱?lái)處理線路電容。兩線總線上的多個(gè)主器件的問(wèn)題需要使用總線仲裁來(lái)處理消息沖突。但是使用一個(gè)簡(jiǎn)單的專用總線結(jié)構(gòu)和一個(gè)主器件，這些問(wèn)題就可以全部解決。

　　圖1 典型的I2C連接

　　SPI是一個(gè)4線串行總線，由于總線上僅允許有一個(gè)主器件因而無(wú)需總線仲裁。此外，還有兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳，都不是真正的雙向引腳。MOSI（主器件輸出，從器件輸入）線負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送給外設(shè);MISO（主器件輸入，從器件輸出）負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送給主器件。時(shí)鐘（SCLK）和從器件選擇（SS）信號(hào)提供總線控制，它們都是由主器件驅(qū)動(dòng)。雖然這種安排避免了總線仲裁的需要，但是需要使用更多的信號(hào)。

　　圖2 典型的三個(gè)從器件的SPI總線

　　今天使用哪種串行總線方面的限制相對(duì)較少。截至2006年，NXP（原Phillips）不再需要許可證即可使用I2C協(xié)議。應(yīng)當(dāng)指出的是，獲取I2C從器件地址仍需收取費(fèi)用。然而，對(duì)于外設(shè)無(wú)需與外界通信的應(yīng)用，這是沒(méi)有必要的。而SPI是一個(gè)沒(méi)有正式規(guī)范文檔而被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)。然而，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在許多不同的嵌入式處理器中實(shí)現(xiàn)，由此看出雖然它沒(méi)有正式規(guī)范文檔，但是并未阻礙其廣泛使用。

　　低開(kāi)銷的I2C和SPI兩種標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用并且集成到微控制器和外設(shè)中。

　　系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制

　　單塊電路板上的應(yīng)用監(jiān)測(cè)和控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單。復(fù)位、中斷線路和選擇線路可以直接由微控制器或本地PLD控制。然而，在多塊電路板的系統(tǒng)中則需要進(jìn)行集中控制，因而盡量減少連接的數(shù)量是很重要的。這可以通過(guò)使用低開(kāi)銷的串行總線與PLD進(jìn)行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3中所示。