基于DSP的CPLD多方案现场可编程配置

　　20世纪70年代，早的可编程逻辑器件--PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件--CPLD.

　　CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（MC,Macro Cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。

　　在继电保护测试装置中， 既有复杂的算法， 又涉及多种检测与控制方案。用DSP实现算法和多方案的配置，用CPLD进行实时检测和控制，是一种较好的独立运行模式。一般CPLD的配置依靠专用配置PROM或电缆来完成。本文介绍基于DSP的CPLD多方案现场可编程配置方法。

　　1 总体描述

　　系统中的DSP采用TI公司的定点数字信号处理器TMS320C5402.它采用4总线4级流水线的增强型哈佛结构，处理速度为100MIPS;具有片内4K×16位的ROM和16K×16位的DARAM, 2个多通道缓冲串行口（McBSP），1个直接存储控制器（DMA）等片内外围电路；外部可扩展至1M×16位存储空间，芯片采用3.3V电源电压。

　　TMS320C5402的多通道缓冲串行口（multi-channel buffercd scrial port）具备标准串行口的所有功能，可设定收发数据格式（8位~32位）；在8位不扩展模式下，可选择高位（MSB）先送或低位（LSB）先送。直接存储控制器（DMA）可以实现数据在串行口McBSP和内部DARAM间的直接交换， 提高工作效率， 节省运行时间。

　　CPLD采用Altera公司FLEX10K系列的EPFl0KIOA7C144-1.可用资源有576个逻辑单元（LE）、72个逻辑阵列块（LAB）、3个嵌入式阵列块（EAB）和102个I/O引脚，电源电压为3.3V.

　　FLEX1OK的配置由Altera的专用串行配置PROM（EPCI）或系统控制器提供的数据宋完成，也由编程硬件通过电缆（BytcBlastcrMV）进行在线配置。依据控制配置过程的器件不同， 可将配置分为主动配置和被动配置两类；依据配置数据流的格式不同， 可将配置分为串行配置和并行配置两类。本文采用的是在微处理器控制下的被动串行配置（passivc serial）模式。配置连接示意如图1所示。

　　其中，DSP的XF作为输出控制CPLD的nCONFIG,INTO和INT1作为输入监控CPLD的nSTATUS和1NT DONE,缓冲串行口的BCLKX0和BDX0分别接CPLD的DCLK和DATA0,BCLKR0 作为输入端检测CONF DONE的信号。TMS320C5402和EPFl0KIOATC144-1都采用3.3V电源电压。

　　2 配置数据的获取和存储

　　对CPLD的配置设计完成以后，MAX+PLUS II的编译器在编译过程中自动产生一个存储器目标文件（*.sof）。在存储器目标文件（*.sof）的基础上，可以生成其它类型配置文件。我们所用到的是十六进制文件（*.hex），是ASCII形式的配置数据文件。使用MAX+PLUSII生成十六进制文图2十六进制文件（*.hex）的生成过程件（*hex）的过程，如图2所示。

　　①完成编译之后，从"FILE"菜单中选择"ConvertSRAM Object Files|…"（图中a）；

　　②选择相应的配置文件*.sof（图中b）；

　　③设定输出文件格式为。hex（图中c）；

　　④选择对应输出文件·。hex（图中d）；

　　⑤点击"OK"确认（图中e）。

　　然后，在MAx+PLUSII环境下打开生成的十六进制文件（*.hex），便可获取到ASCIl格式的配置数据。将配置数据通过DSP的开发软件转化成二进制数据，通过DSP存入其外部大容量数据存储器（flash memory）中。

　　EPF10K10ATCl44_1的二进制配置数据大小约为120000位，即14.6KB.TMS320C5402的内部DARAM为16K×16位，外部存储空间为lM×1 6位，故可存储数十个配置文件。

　　3 对CPLD多方案现场可编程配置的实现

　　在DSP的控制下，将所需配置方案的配置数据，采用被动串行配置方式完成cPLD的配置。

　　3.1 引脚描述与配置时序

　　FLExlOK的引脚及功能如下：

　　MSELO、MSEL1一配置方式选择端；

　　nSTATus一器件的状态输出端，器件配置发生问题时被拉低，漏极开路；

　　nCONFIG一配置控制输入端，低电平复位器件，上升沿跳变启动配置，漏极开路；

　　CONF一DONE一状态输出端，配置时为低，配置数据接收完毕后释放，漏极开路；

　　1NT-DONE一状态指示端，配置时为低，配置数据初始化完成后释放，漏极开路；

　　DCLK一配置时钟信号端；

　　DATA0--配置数据输入端。

　　被动串行配置（PS模式）的时序如图3所示。

　　图3中关键的时序参数如表1所列。

　　3.2配置过程描述

　　参照被动串行配置时序，DSP控制下CPLD现场配置的实现过程如下所述。

　　首先，DSP将一个方案的配置数据从外部数据存储器中读入内部DARAM.然后，在DCONFIG上产生一个由低到高的跳变，使CPLD进入配置状态，等待CPLD释放nSTATUS.nSTATuS变高之后，通过McBSP在时钟（DCLK）上升沿将配置数据逐位送到DATA0上，时钟（DCLK）频率选为10MHz。CPLD接收完所有配置数据（120 000字节）后，会释放CONF_DONE,变成高电平，之后DSP仍须在DCLK上输出脉冲来初始化CPLD器件，直到INT_DONE被释放变成高电平，表示CPLD器件初始化完毕，进入用户状态，配置过程结束。在配置的过程中，没有握手信号。一旦CPLD检测到出错，会将nSTATus拉低，此时会产生DSP外部中断。DSP响应中断后，在nCONFIG上产生一个由低到高的跳变，重新开始配置，或者DSP检测到配置出错，也要强制重新开始配置。

　　配置结束后，DSP和CPLD将工作于该方案模式下。当需要进入其它方案模式时，DSP按照需求读入新的配置方案数据，对CPLD重新进行配置。由于DSP的高处理速度（100MIPS）和配置时钟的高频率（10MHz），使得CPLD的配置时间小于20ms,因此可以快速、灵活地实现各配置方案间的现场实时切换。

　　结束语

　  本设计的思路及方法也适用于其它DSP+CPLD/FPGA或MCU+CPLD/FPGA系统，利用系统中现有的DSP/MCU和大容量通用数据存储器，省去专用的配置PROM,方便灵活地实现对CPLD的现场可编程配置。

  

参考文献:

[1]. CPLD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2]. FLEX10K datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/FLEX10K_328755.html.