隨著pld集成度的不斷提高，設(shè)計(jì)的工作量越來(lái)越大，pld的編程日益復(fù)雜，pld的編程必須在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的支持下才能完成。pld的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件包括計(jì)算機(jī)和專用的編程電纜或編程器，軟件是指各種開(kāi)發(fā)軟件。
器件編程需要滿足一定的條件，如編程電壓、編程時(shí)序和編程算法等。傳統(tǒng)的編程技術(shù)是將pld插在編程器上進(jìn)行，比如簡(jiǎn)單pld大多使用這種方式編程。目前，許多新型的cpld/fpga的編程采用了在系統(tǒng)可編程技術(shù)，在系統(tǒng)可編程技術(shù)是指未編程的器件可以直接焊接在印制電路板上進(jìn)行編程或反復(fù)編程的能力。編程既不需要使用編程器，也不需要將它從電路板上取下，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)和專用的編程電纜，可以對(duì)目標(biāo)器件的邏輯功能進(jìn)行隨時(shí)方便地修改，簡(jiǎn)化了pld器件的編程和目標(biāo)系統(tǒng)的升極維護(hù)工作。我們?cè)谇皟晒?jié)舉例介紹的cpld和fpga都具有在系統(tǒng)可編程特性。由于工藝不同，不同工藝的在系統(tǒng)可編程器件表現(xiàn)出不同的性能。基于乘積項(xiàng)的cpld采用eprom或e2cmos工藝，如lattice公司的isplsi 1016器件的可編程存儲(chǔ)單元均為e2cmos結(jié)構(gòu)，編程過(guò)程就是把編程數(shù)據(jù)寫入e2cmos單元陣列的過(guò)程。而基于查找表的cpld和fpga，可編程存儲(chǔ)單元為sram結(jié)構(gòu)，sram中的數(shù)據(jù)理論上允許在器件被燒制以后可被無(wú)限次加載和修改，因此不僅具有在系統(tǒng)可編程性能，而且具有無(wú)限次動(dòng)態(tài)重編程的功能。但是sram工藝的可編程單元掉電后數(shù)據(jù)丟失，因此需外部存儲(chǔ)器，每次上電需要重新編程。本文主要介紹具有isp特性的fpga/cpld的編程。
一、編程原理簡(jiǎn)介
下面以fpga為例進(jìn)行介紹pld的編程原理。
編程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元以陣列形式分布在fpga中，編程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示。存儲(chǔ)單元為5管sram結(jié)構(gòu), 只有一根位線。其中t管為本單元控制門，由字線控制。數(shù)據(jù)以串行方式移入移位寄存器，而地址移位寄存器順序選中存儲(chǔ)單元的一根字線，當(dāng)某列字線為高電平時(shí), 該列存儲(chǔ)單元的t管導(dǎo)通，從而與位線接通，在寫信號(hào)控制下將數(shù)據(jù)移位寄存器中一個(gè)字的數(shù)據(jù)通過(guò)各列位線寫入該列存儲(chǔ)單元。
編程數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式組成數(shù)據(jù)流裝入fpga中，編程數(shù)據(jù)流由開(kāi)發(fā)軟件自動(dòng)生成。開(kāi)發(fā)軟件將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成網(wǎng)表文件，它自動(dòng)對(duì)邏輯電路分區(qū)、布局和布線和校驗(yàn)fpga的設(shè)計(jì)，然后按prom格式產(chǎn)生編程數(shù)據(jù)流并形成編程數(shù)據(jù)文件，最后還可將編程數(shù)據(jù)文件存入prom中。
圖1 編程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元陣列結(jié)構(gòu)
二、編程模式
fpga和cpld器件的編程模式分為兩大類：主模式和從模式。主模式是由起主導(dǎo)作用的fpga或cpld器件引導(dǎo)編程操作過(guò)程。而從模式由計(jì)算機(jī)、微處理器或其它主導(dǎo)可編程器件控制編程的過(guò)程。根據(jù)數(shù)據(jù)線的多少將編程分為并行模式和串行模式兩類。這些不同分類模式相互組合可以形成主串模式、主并模式、從串模式和從并模式等多種模式。
另外，除了對(duì)單個(gè)的在系統(tǒng)可編程器件能夠進(jìn)行在系統(tǒng)編程外，還可以將印制電路板上的多個(gè)在系統(tǒng)可編程器件以串行的方式連接起來(lái)，一次完成多個(gè)器件的編程。這種編程模式被稱為菊花鏈編程模式。
三、編程流程
圖2 fpga器件的編程流程
fpga器件的編程流程如圖2所示。編程開(kāi)始后，在加電和編程命令下，內(nèi)部復(fù)位電路被觸發(fā)，開(kāi)始清除編程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在int為高電平時(shí)，電路自動(dòng)測(cè)試mode引腳狀態(tài)，以確定裝載模式。然后啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀入操作。編程開(kāi)始時(shí), 編程數(shù)據(jù)以一段起始碼開(kāi)頭，其中包括編程數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度計(jì)數(shù)，接著便是設(shè)計(jì)文件的編程數(shù)據(jù)。當(dāng)存儲(chǔ)器初始化后所加的編程時(shí)鐘總數(shù)等于編程數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度計(jì)數(shù)值時(shí)，數(shù)據(jù)裝完，done被置為高電平，電路開(kāi)始進(jìn)入用戶狀態(tài)。