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(xiāo)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(xiāo)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(xiāo)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(xiāo)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(xiāo)的串行總線與PLD進(jìn)行通信來(lái)實(shí)現(xiàn),，如圖3中所示。

圖3——將PLD用作一個(gè)串行IO擴(kuò)展器

    接下來(lái)就需要一個(gè)協(xié)議,，定義從微控制器到外部PLD的數(shù)據(jù)流的指令和尋址機(jī)制,。對(duì)于基于SPI的實(shí)現(xiàn)，無(wú)需太多擔(dān)心,。SPI不需要數(shù)據(jù)流中的任何信息進(jìn)行尋址,，因?yàn)镾S和SCLK信號(hào)已經(jīng)根據(jù)協(xié)議提供了控制尋址。因此,，用戶只需控制整個(gè)數(shù)據(jù)有效載荷的傳輸,。

    外部PLD的I²C實(shí)現(xiàn)稍微復(fù)雜一些。首先,，在將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€上之前,，要對(duì)器件尋址，必須識(shí)別出這個(gè)PLD。這種差異正是選擇這兩種串行總線架構(gòu)時(shí)需要考慮權(quán)衡的地方：SPI架構(gòu)不需要一個(gè)指令翻譯器來(lái)尋找到特定的從器件,，但比I²C結(jié)構(gòu)需要更多引腳,。

遠(yuǎn)程故障記錄

    考慮到外部的非易失性存儲(chǔ)器成本低，以及便于通過(guò)串行總線如I2C或SPI接口進(jìn)行連接,，將外部非易失性存儲(chǔ)器與PLD結(jié)合使用,，可以為用戶提供極具成本效益的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程故障記錄管理。圖4顯示了一個(gè)典型的系統(tǒng)應(yīng)用,，不僅使用了之前重點(diǎn)介紹的IO擴(kuò)展功能,，也說(shuō)明了怎樣將外部存儲(chǔ)器納入系統(tǒng)架構(gòu)中使用。

圖4——遠(yuǎn)程故障記錄

    在這個(gè)架構(gòu)中,，PLD主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè),、控制和與微控制器通信。然而,，它也負(fù)責(zé)執(zhí)行線路上額外的監(jiān)測(cè)/控制分析和故障信息記錄,，通過(guò)串行總線寫(xiě)入非易失性存儲(chǔ)器。電壓監(jiān)控,、看門(mén)狗定時(shí)器和PCB上的其他故障條件可以通過(guò)PLD寫(xiě)入非易失性存儲(chǔ)器,。通常情況下，檢測(cè)到故障后,，系統(tǒng)中其他監(jiān)控器的狀態(tài),，如溫度和電壓以及時(shí)間信息將被保存。

    應(yīng)當(dāng)注意的是,，這樣一個(gè)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)有一個(gè)重要的考慮,。如果PLD是外部非易失性存儲(chǔ)器的主器件，那么它還需要決定串行總線的控制和尋址,。這個(gè)決定對(duì)于使用SPI總線而言很容易,；設(shè)計(jì)師必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)從SPI器件，與微控制器進(jìn)行通信,，以及一個(gè)獨(dú)立的主SPI器件,，可以訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。

    對(duì)于I²C總線,，設(shè)計(jì)師有幾個(gè)選擇,。第一種選擇是設(shè)計(jì)類(lèi)似SPI那樣的設(shè)計(jì)，使用一個(gè)從器件與微控制器通信,，以及一個(gè)主器件訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器,。第二種選擇是使用PLD，同時(shí)作為主器件和從器件,。這種方法的好處是，系統(tǒng)中只有一條串行總線,，因此微控制器可以直接訪問(wèn)非易失性存儲(chǔ)器,，而無(wú)需PLD翻譯指令然后從存儲(chǔ)器中讀取信息,。然而，由于不是在PLD中簡(jiǎn)單地使用一個(gè)從器件,，現(xiàn)在設(shè)計(jì)必須處理尋址和總線控制,。

傳感器和外設(shè)匯聚

    基于串行接口的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的數(shù)量日益增長(zhǎng)。你可以在溫度傳感器,、壓力傳感器,、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字電位器,、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和LCD控制器等等應(yīng)用中找到串行接口,，這里僅列舉了幾個(gè)來(lái)說(shuō)明。要了解如何將這些集成到設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是要知道哪些外設(shè)需要“實(shí)時(shí)”使用以及“實(shí)時(shí)”意味著什么,。舉例來(lái)說(shuō),，在系統(tǒng)中溫度是一個(gè)相對(duì)緩慢變化的對(duì)象，并可以很容易地通過(guò)串行總線監(jiān)控,。用于電流或電壓檢測(cè)的A/D轉(zhuǎn)換器可能是也可能不是一個(gè)“實(shí)時(shí)”需求,，這要根據(jù)正在測(cè)量的內(nèi)容，以及需要多快的檢測(cè)速度而定,。

    一旦你已經(jīng)確定了外設(shè)的優(yōu)先級(jí),，然后你可以將較低優(yōu)先級(jí)的外設(shè)讓PLD處理，減輕處理器的負(fù)擔(dān),，如圖5所示,。

圖5——傳感器匯聚示例

    在上面的例子中，微控制器只需與2個(gè)而非4個(gè)外設(shè)進(jìn)行通信,。

    這種安排還有另外一個(gè)好處,。你可以使用一個(gè)功能強(qiáng)大的PLD來(lái)預(yù)處理數(shù)據(jù)，然后由微控制器讀取,。例如,，請(qǐng)考慮一個(gè)應(yīng)用，使用A/D采樣測(cè)量一個(gè)三相電力系統(tǒng)的電壓和電流,，并進(jìn)行故障檢查,。一個(gè)擁有強(qiáng)大DSP功能的PLD可以代替DSP或微控制器執(zhí)行RMS計(jì)算、峰值電流分析,、相位計(jì)算和FFT?，F(xiàn)在采樣速率受到PLD收集樣本和處理數(shù)據(jù)所需時(shí)間的限制。然后,，微控制器可以讀取編譯的數(shù)據(jù),，將更多的時(shí)間用于處理控制和報(bào)告工作。設(shè)計(jì)師們應(yīng)該好好考慮微控制器處理能力、PLD處理能力,、成本和空間之間的權(quán)衡,。

下一步：集成

    鑒于這些串行總線與小型可編程邏輯器件相結(jié)合使用的實(shí)用性，下一步將是將至少一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)（如果不能兼顧）集成到PLD中,。這種集成降低了PLD解決方案的成本和功耗,。此外，串行總線接口的編碼不再是設(shè)計(jì)師需要解決的問(wèn)題,。設(shè)計(jì)師只需要處理他們的應(yīng)用和邏輯要求,，而不是集成一個(gè)開(kāi)放的核。

    萊迪思半導(dǎo)體公司提供的最新的CPLD就可以為設(shè)計(jì)師帶來(lái)這些優(yōu)點(diǎn),。MachXO2™系列中的嵌入式功能塊（EFB）,，包含預(yù)先設(shè)計(jì)的解決方案，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)上面所述的任意系統(tǒng)控制功能,。MachXO2器件包含一個(gè)SPI控制器以及2個(gè)I²C控制器,。所有串行總線控制器都可以配置為主或從器件。此外,，MachXO2還為設(shè)計(jì)師們提供了一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器塊以及少量的用戶可訪問(wèn)的閃存（UFM）,。

    除了上面提到的解決方案，串行總線與PLD相結(jié)合可以為系統(tǒng)提供其他的好處,，即使有時(shí)它們?cè)诩軜?gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程后才顯現(xiàn)出來(lái),。它們并不是所有弊病的靈丹妙藥，但它們?cè)谠O(shè)計(jì)中的實(shí)用性是有據(jù)可查的,，有無(wú)數(shù)的開(kāi)源核和設(shè)計(jì)方案可以給予不同的架構(gòu)設(shè)計(jì)師們指引,，實(shí)現(xiàn)最佳的解決方案。

Peter J. Stinson是萊迪思半導(dǎo)體公司北美和歐洲地區(qū)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理,。他畢業(yè)于Lehigh大學(xué),，擁有計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位和技術(shù)管理碩士學(xué)位。他已經(jīng)在PLD行業(yè)中工作了15年,，曾從事市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo),、產(chǎn)品規(guī)劃和其他技術(shù)類(lèi)職位。他擁有超過(guò)20年的工作經(jīng)驗(yàn),，在軍事,、工業(yè)和通信市場(chǎng)擔(dān)任過(guò)設(shè)計(jì)師、項(xiàng)目經(jīng)理以及工程經(jīng)理等職位,。