Actel+FPGA+在单片机系统中的应用

ActelFPGA在单片机系统中的应用

!应用与设计

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ActelFPGA在单片机系统中的应用

中山大学

重庆工业职业技术学院飞洛克电子有限公司

王家村李琳陈勇生

ApplicationofActelFPGAinSingleChipComputer

WangJiacun

LiLin

ChenYongsheng

摘要：将FPGA应用于单片机系统可大幅度地简化CPU外围电路的设计，减少系统体积，提高系统的可靠性，同时，ActelFPGA的加密功能还为系统的安全提供了保障。文中介绍了ActelFPGA器件的主要特点和由其构成的单片机外围电路结构，给出了一个带有6X4键盘扫描和6位LED显示的FPGA接口电路的硬件设计和软件程序。关键词：FPGA；VHDL；外围电路分类号：TN79+l

文献标识码：B

文章编号：l006-6977(2002)ll-0027-03

似于EPLD。但它又比常规EPLD集成度高(可达几万

门)。因此非常适合大规模电路的设计。

在Actel的多路开关型结构中，其基本模块是一个多路开关配置。多路开关的各输入端可以接到固定的电平或输入信号上以实现不同的逻辑功能。把大量的多路开关和逻辑门连接起来可以构成大量函数的逻辑块。42MX系列FPGA由逻辑模块、布线资源、时钟网络和I/O模块构成，有些FPGA器件还带有双端口RAM(如42MX24)。

l引论

传统的单片机系统设计由于必须使用许多常规74系列和专用IC来组成单片机的外围电路(如地址锁存，SRAM，EPROM端口的译码以及I/O扩展等)，因而使得整个系统变得十分复杂，可靠性降低。同时，由于各种专用IC的功能是可知的，因此，开发出的产品也极易被人仿造。随着大规模集成电路技术的飞速发展，可编程逻辑器件在结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性等方面都有了很大的改进和提高，从而为高效率、高质量、灵活地设计单片机系统提供了可能。同时，CPLD和FPGA技术的出现，也为硬件设计软件化提供了坚定的基础。，而CPLD和FPGA的加密功能也使保障碍产品开发者的权利，因此，用可编程器件取代外围常规IC来设计单片机系统已经成为单片机开发的一大趋势。

3由FPGA构成的单片机外围电路

以42MX09构成的单片机系统的基本框图如图

其I/O最大可达l04个，l所示。42MX09有9000门，触发器最大为5l6个，逻辑模块有684个，而且该产品价格适中，非常适合做单片机外围电路。

在图l中，FPGA可用来完成以下功能：

(l)译码

FPGA非常适合完成SRAM、EPROM

以及一些诸

2ActelFPGA系列产品的特点

Actel公司生产的42MX系列反熔丝型FPGA是

采用先进的CMOS工艺制作的，其内部运用了专利的金属-金属反熔丝元件。反熔丝互连就像纯金属互连一样，这与晶体管开关的SRAM互连截然不同，因此，Actel公司的FPGA与常用的Xilinx公司或Altera公司的FPGA不一样。它采用永久性编程，因此通电即能工作，而不必携带通电系统引导程序的PROM，同时又具有加密功能。从这些特点来说，Actel的FPGA类

图l由FPGA构成的单片机系统

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《国外电子元器件》2002年第ll期2002年ll月

如A/D、D/A等专用芯片的地址译码功能。

(2)I/0单片机的I/0主要有键盘扫描电路和LED七段码显示等电路。图2所示是一个带有6X4键盘扫描和6位LED动态显示的具体电路，它以lllll0、llll0l、lll0ll、ll0lll、l0llll、0lllll方式动态循环输出U0~U5，并相应依次读入I0~I3，因为这样可以去除键的机械抖动影响，同时可判别闭合键的键号。当U0~U5动态循环输出时，相应地通过00~07a~g七段码，小数点dp）点亮LED显示，通常LED显示须加驱动器，而将CPU输出的BCD转化为七段码既可用软件实现，也可用硬件实现。

I/0的另一个常用接口是与串行EEPR0M接口，与24C0l接口只要提供CLK和I/0（双向）二个信号即可，而与93C46接口则需提供CLK、输入I和输出0三个信号，若要与逻辑加密IC卡连接，则可再加一个RST信号。

(3)加密

加密主要是将单片机的地址、数据和存储器的地址、数据总线的一一对应关系进行改变，以变成较为复杂的对应关系，从而使这种关系不易被人破译。简单的加密有对数据进行转换、求反、异或等，地址线也一样。复杂的加密则要考虑更多的问题，如被逻辑分析仪分析，仿真器跟踪，可编程器件直接破译等。实际上，寓功能于加密才最为合理。

4FPGA单片机外围电路的实现

在图2所示的6X4键盘扫描和6位LED动态显示FPGA外围接口电路中，U0~U5既是键盘扫描输出口，又是6位LED位选码显示的输出口（共阴LED)，I0~I3为键盘输入口，00~07为七段码输出口，可输出七段码和小数点。此外，图2还外接有一个串行EEPR0M(93C46），它可提供CLK、输入口I和一个输出口0。CERAM为SRAM的译码地址为8000H~87FFH，CER0M为EPR0M的译码，地址为0000H~7FFFH。DI

（0~7）为EPR0M的数据总线，B8~Bl5为加密后的EPR0M部分地址总线，CLKA、CLKB为读端口地址，0E为三态使能。具体的FPGA设计(用VHDL语言)实现见I0.VHD文件：I0.VHDiibraryieee;

useieee.std-iogic-ll64.aii;

图26X4键盘扫描、6位LED动态显示

entityioisport(

oe,cika,cikb:instd-iogic;

i:instd-iogic-vector(3downto0);a:instd-iogic-vector(l5downto0);di:instd-iogic-vector(7downto0);di93:instd-iogic;

do:inoutstd-iogic-vector(7downto0);b:outstd-iogic-vector(l5downto8);,cikc,do93:instd-iogic;

ceram,cerom:outstd-iogic;

u:outstd-iogic-vector(5downto0);o:outstd-iogic-vector(7downto0);endio;architecturefunofiois

signaidio:std-iogic-vector(7downto0);signaiida:std-iogic-vector(7downto

0);

signaidb:std-iogic-vector(4downto0);begin———键盘扫描输出及93C46的时钟、输入data:process(cika)

begin

if(cika eventandcika=*l*)thenda[7..0]<=[7..0];endif;

u[5..0]<=da[5..0];cikc<=da(6);do93<=da(7);

endprocessdata

—七段码a~g和小数点dp显示，

输出格式为：

（

ActeiFPGA在单片机系统中的应用

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—dp,a,b,c,d,e,f,g共8位。dispiay:process(cikb)

If(cikb eventandcikb='1')then

db[4..O]<=do[4..O];endif;casedbis

when"OOOOO"=>o<="OO11111";……

when"O1OO1"=>o<="O1111O11";when"1OOOO"=>o<="1O111111";……

when"O1OO1"=>o<="11111O11";whenothers=>o<="O11O1111";endcase;

endprocessdispiay;data:process(a,di,i)variabiegO:std-iogic;

begin

—EPROM27256译码：OOOOH~7FFFH

ifa(15)='O'then

cerom<='O';eise

cerom<='1';

endif;

—SRAM6116译码：8OOOH~87FFH

if(a(15)&a(14)&a(13)&a(12)&a(11)=1OOOO)

then

ceram<='O';eise

ceram<='1'endif;

gO:=nota(15)anda(14)anda(13)anda(12)

anda(11)anda(1O)anda(9)anda(7)anda(6)anda(5)anda(4);—数据加密、键盘输入IO~I3和93C46输出

dio(O)<=notdi(1)or

(i(O)andgO);dio(1)<=di(2)of(i(1)andgO);dio(2)<=notdi(5)or

(i(2)andgO);dio(3)<=notdi(7)or

(i(3)andgO);dio(4)<=di(3)or(di93andgO);dio(5)<=notdi(6);dio(6)<=di(4);dio(7)<=di(O);—地址加密

b(8)<=nota(1O);

b(9)<=a(11);b(1O)<=nota(15);b(11)<=a(9);b(12)<=a(14);b(13)<=a(8);b(14)<=a(12);b(15)<=a(13);endprocessdata;—三态输出

ces:process(oe,dio)

begin

ifoe='O'thendo<=dio;eise

do<=(others=>'Z');endifendprocessces;

endfun;参考文献

1.张毅刚,等.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社,19972.黄建文,等.VHDL语言及应用.1997

收稿日期:2OO2-O9-18

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Actel FPGA 在单片机系统中的应用

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被引用次数：王家村， 李琳， 陈勇生王家村(中山大学)， 李琳(重庆工业职业技术学院)， 陈勇生(飞洛克电子有限公司)国外电子元器件INTERNATIONAL ELECTRONIC ELEMENTS2002(11)6次

1.张毅刚 MCS-51单片机应用设计 1997

2.黄建文 VHDL语言及应用 1997

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引用本文格式：王家村.李琳.陈勇生 Actel FPGA 在单片机系统中的应用[期刊论文]-国外电子元器件 2002(11)