ACEX 1K系列CPLD配置方法探讨

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摘 要 ：介绍ACEX 1K系列器件的配置方法，对几种方法进行了分析对比，并着重论述了应用配置器件配置 ACEX 1K系列器件的优点。

关键词 ：CPLD；配置器件；器件配置
1 引言
　　 ACEX 1K系列器件是Altera公司近期推出的新型CPLD产品。该器件基于SRAM，结合查找表（LUT）和嵌入式阵列块（EAB）提供了高密度结构，可提供10 000到100 000可用门，每个嵌入式阵列块增加到16位宽可实现双端口，RAM位增加到49125个。其多电压引脚可以驱动2.5V、3.3V、5.0V器件，也可以被这些电压所驱动；双向I/O引脚执行速度可达250MHz。该器件还应用Altera专利技术进行了重要的生产改进，进一步降低了器件的成本，提高了产品的性能价格比。因此,ACEX 1K器件可用来实现许多逻辑复杂、信息量大的系统。但是在器件操作过程中，ACEX 1K系列器件的配置数据存储在SRAM单元中，由于SRAM的易失性，配置数据在每次上电时必须被重新载入SRAM。

2 配置ACEX 1K系列器件三种方法的比较

　　 对于ACEX 1K系列器件，目前实现加载的方法有以下3种：①采用PROM并行加载；②采用单片机控制实现加载；③通过JTAG口直接一次性实现编程数据加载。第一种方式需要占用较多的CPLD管脚资源，虽然这些资源在加载完成后可用作一般的I/O口，但在加载时不允许这些管脚有其他任何外来信号源；另外数据存储在PROM与CPLD之间的大量固定连线,如8位数据线以及大量访问PROM的地址线等，使得PCB板设计不便。但是这种方式有一个好处，即PROM的容量较大、容易购置、价格低、技术支持（编程器）较好。第二种方式采用单片机控制，由PROM中读取并行数据，然后串行送出。由于涉及到单片机编程，对于开发者来说较为不便；另外，如果单片机仅用来实现该任务，较为浪费硬件资源。CPLD的一个最大优点是采用计算机专用开发工具，通过JTAG口直接一次性实现编程数据加载，但是由于ACEX 1K器件SRAM的易失性使数据无法永久保存，为调试带来很大的不便，特别是从事野外作业者。

　　 目前，Altera公司推出了相应的配置器件。在CPLD器件配置过程中，配置数据存储在配置器件的EPROM中，通过配置器件内部振荡器产生的时钟控制数据输出。本文以20脚EPC2器件（以下简称EPC2）为例阐述配置器件与ACEX 1K系列器件的连接。

3 EPC2器件简介

　　 EPC2具有Flash配置存储器,可用来配置5.0V、3.3V、2.5V器件。通过内置的IEEE Std. 1149. 1 JTAG接口EPC2可以在5.0V和3.3V电压下进行在系统编程（ISP）。 系统编程后，调入JTAG配置指令初始化ACEX 1K器件。EPC2的ISP能力使ACEX 1K器件的初始和更新更容易。当用EPC2配置ACEX 1K器件时，在配置器件的内部发生带电复位延迟，最大值为200ms。Alterat公司的QuartusⅡ和MAX+PLUSⅡ软件均支持配置器件的编程，设计中软件自动为每一个配置器件产生POF。多器件设计中，对于多个ACEX 1K器件，软件可以将编程文件与一个或多个配置器件联合。软件允许用户选择适当的配置器件更充分地储存每一个ACEX 1K器件的配置数据。EPC2器件用于与ACEX 1K器件连接的引脚功能见表1。

4 器件连接及工作原理

　　 当用一片EPC2配置ACEX 1K器件时，EPC2的控制信号nCS、OE、DCLK直接和ACEX 1K系列器件的控制信号连接。图1给出了ACEX 1K器件和一片EPC2的连接关系。





　　 EPC2的nCS和OE引脚控制DATA输出引脚的三态缓冲器，使能地址计数器和EPC2的振荡器。nCS引脚控制配置器件的输出。当OE引脚接低电平时，不论nCS为何状态，地址计数器复位，DATA引脚输出为高阻状态。当OE引脚接高电平时，如果nCS保持高电平，则计数器停止计数，DATA引脚保持高阻状态；如果nCS接低电平，则计数器和DATA引脚正常工作。EPC2允许用户将nINIT_CONF引脚与PLD器件的nCONFIG引脚相连来初始化PLD器件的配置。EPC2的DATA引脚与ACEX 1K系列器件的DATA0或DATA引脚相连。存储在EPC2器件中的数据在其内部时钟的控制下顺序输出到DATA脚，然后在控制信号的控制下输出到CPLD器件的DATA0或DATA引脚。当配置数据的大小超过一片EPC2的容量时，可以采用多片级联的方法。这时候器件的nCASC和nCS引脚做器件间的握手信号。器件连接如图1虚线所示。



　　 用级联EPC2 配置ACEX 1K器件时，EPC2的操作与其在级联链中的位置有关。当级联链中的第一个即主EPC2加电或复位，且nCS脚为低电平时，主EPC2控制配置进行。配置过程中主EPC2向其后的从属EPC2和CPLD器件提供所有的时钟脉冲，并向PLD器件提供第一个数据流。当主EPC2中配置数据发送完毕，器件的nCASC脚变为低电平，使第一个从属EPC2的nCS脚变为低电平，从而使从属EPC2向外发送配置数据。每一片EPC2中数据全部输出且nCASC引脚为低电平时，器件的DATA引脚置为高阻状态以避免和其他配置器件发生竞争。一旦所有的配置数据传送完毕，且基于查找表的CPLD器件的CONF_DONE脚驱动主EPC2的nCS脚为高电平，主EPC2器件将额外增加16个时钟周期来初始化CPLD器件。随后主EPC2器件进入空闲状态。当需要另外加入EPC2器件时，可以将欲加入的EPC2的nCASC引脚和级联链中的从属EPC2的nCS相连，DCLK、DATA和OE引脚并联。

5 结论

　　 从上述的阐述中，我们可以看到：采用Altera公司的专用配置器件加载数据时，配置器件与CPLD之间的接口线非常少，且直接连接不需要外加智能控制器；通过器件内置JTAG口能够将数据一次性写入EPROM中加以保存，而且当CONFIG数据量较大时，可以采用多片级联；器件可多次写入，当需要下载新数据时不需事先擦除器件中原有数据，只需将新数据直接写入即可。由此可见采用配置器件加载数据方便、可靠、易学易用。
参考文献

1 范宏波,李一民,朱红梅.采用EEPROM对大容量FPGA芯片数据实现串行加载,云南省昆明理工大学信电学院. 2001年第5期
2 ACEX 1K Programmable Logic Device Family. Altera Corporation, 2001.9
3 Configuration Devices for SRAM-Based LUT Device. Altera Corporation, 2002.2
4 Configuring SRAM-Based LUT Devices. Altera Corporation, 2002.2