【技术】如何进行可编程逻辑模块设计简化微处理器应用

2017-11-13 Silicon Labs(世强编辑整理)

随着半导体厂商在微处理器里集成越来越多的外设模块,微控制器正变得越来越灵活,功能也越来越强大。一方面可编程逻辑厂商开始将成熟的CPU核加入到可编程逻辑芯片里,另一方面嵌入式微处理器制造商也正在把可编程逻辑模块作为新的外设模块加入到嵌入式微处理器里面。这些可编程逻辑模块不仅可以实现一些简单的组合电路像布尔逻辑的与,或,非门,还可以实现一些简单的时序逻辑电路,像锁存器。总的来说,这些灵活的设计给予嵌入式工程师们更多的选择。


从一些简单的信号转换电路到复杂的曼彻斯特译码器,嵌入式工程师们完全可以通过可编程逻辑进行自行设计。另外,这些可编程逻辑硬件完全采用C语言进行编程,而不需要专门去学习VHDL等硬件描述语言。而且带有可编程逻辑模块的微控制器可以大大减少产品的硬件成本以及通过减少外部逻辑控制需要的胶合逻辑电路减小产品的体积。另外,由于可编程逻辑的操作完全独立于CPU,可编程逻辑模块并不会占用CPU的资源。这使得芯片内的外设能力通过可编程逻辑得到扩展。总之,可编程逻辑模块的这些特点对于应用工程师节省的不仅是成本,更多的是这些使得产品更加小巧灵活。为了帮助读者理解可编程逻辑高度的灵活性,本文将介绍在一般的微控制器上可编程逻辑的应用操作,以及怎样利用可编程逻辑去开发性价比超高的应用。


概览:

可编程逻辑模块是指嵌入到微控制器里的不需要CPU干预的用户可编程的数字电路。一般的微控制器往往集成有多个可编程逻辑模块。图1展示了带有一个三输入单输出的可编程逻辑模块的逻辑框图。


图1:可编程逻辑模块逻辑框图


可编程逻辑模块的输入:

图中可编程逻辑模块的输入包括:

· 输入多路复用器A,MXA

· 输入多路复用器B

· 进位信号


多路复用器A可以从一系列信号线中进行挑选,这些信号线连接着外部引脚或外设信号。如图2,这些输入信号也可以是时钟溢出标志或PCA的通道,而且,输入多路复用模块A同样也可以选择任何可编程逻辑模块的输出包括它本身的输出引脚作为输入。输入多路复用模块B具有同样的操作,只不过是针对另外的引脚与别的外设模块。

进位信号端是前一个可编程逻辑模块的输出端。这个输出端使得可编程逻辑块能够被串联在一起,从而可以构造出更加复杂的应用。例如,CLU0模块的输出是CLU1模块的进位输入。这种布局是固定的。如果你想改变这种布局,就需要重新定义多路复用器A或B的输入。


图2:可编程逻辑模块的简化框图


查找表:

可编程逻辑模块的核心部分是硬件查找表,查找表外接MXA,MXB和进位信号。如图3所示。这看起来和FPGA基于查找表的模块非常相似。

每个查找表总共有三个输入端,每个输入端有两种状态,也就是说总共有8种可能的输入,相对应的有8种输出。所有的对应情况如图4所示:           


图3:可编程逻辑单元框图


图4:查找表

实现与门和异或门:

把MXA和MXB作为输入,可以利用可编程逻辑模块非常轻松的实现与门逻辑。对于与门逻辑,当输入都为高电平时输出是高电平,反之是低电平。其对应的完整的查找表如下图5所示:


图5:与门逻辑


当查找表决定以后,需要的查找表输出通过固件在初始化时写入可编程逻辑寄存器中就可以实现与逻辑。在上面的例子中,16进制0xC0应该被写入专用的可编程逻辑查找表输出寄存器。另外,利用MXA和MXB作为输入实现异或逻辑,当输入不同时输出为高电平,反之输入为低电平。完整的逻辑见下图6表格,16进制数0X3C应该写入对应的可编程模块寄存器里。


图6:异或逻辑对应的查找表


可配置逻辑输出:

上面配置好的异步的CLU查找表的输出,可以配置成另外一个CLU的输入或直接连接到一个端口引脚或另外的外设信号线。从而可以控制外设或外部引脚的输出。


同步输出信号:

每一个CLU都有一个集成的D触发器,异步查找表输出信号在输出之前可以选择连接到这个可选的D触发器,这个D触发器可以选择多种时钟源作为驱动时钟,甚至可以选择MXA,定时器溢出标志。异或输出的上升下降沿也可以触发中断。

可编程逻辑模块的应用和好处:

微控制器集成越来越多的集成外设设备,其中集成有可编程逻辑的微处理器可以实现一些复杂的应用设计而不需要额外的外部器件。利用内置的CLU模块,嵌入式工程师可以轻松的实现集成按键去抖,D和SR锁存,曼彻斯特编码/解码,或Biphase Mark的编解码硬件电路。在节省设计成本的同时,也大大减小了所需PCB的面积。

关于更多的信息和应用例程,读者可参考芯科的应用手册AN921。手册主要讲了应用EFM8 Laser Bee(EFM8LB1)微控制器系列进行的一些应用。

技术大神:seven

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