单片机与fpga逻辑接口设计

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1、单片机与FPGA/CPLD接口逻辑设计姓名刘伟学号0903609029班级通信工程9单片机与FPGA/CPLD接口逻辑设计一论文摘要：设计一种基于MCS-51单片机与FPGA通信的接口逻辑电路，实现单片机与可编程逻辑器件数据与控制信息的可靠通信。使可编程逻辑器件与单片机相结合，优势互补，组成灵活的、软硬件都可现场编程的控制系统。设计采用的是VHDL语言的文本输入方式，设计比较灵活，按照接口的要求设计逻辑电路。接口主要有并行接口和总线接口，总线接口是由波特率发生器、接收器和发送器模块组成，通过各模块的功

2、能设计接口逻辑。利用仿真软件QuartusⅡ进行分析综合、功能仿真与时序仿真，生成分析报告以及内部逻辑电路，并得出仿真结果，验证接口的可行性。关键词：单片机，FPGA，接口逻辑，数据通信二2-1绪论§2-1-1设计思想：FPGA作为一种新型的可编程逻辑器件，可以取代现有的全部微机接口芯片，实现微机系统中的存储器、地址译码等多种功能，具有更高的密度、更快的工作速度和更大的编程灵活性，被广泛的应用于各种电子类产品中。在功能上，单片机具有性价比高、功能灵活、易于人机对话、强大的数据处理能力等特点。但受其内部

3、资源的限制，在很多应用中，单片机需要在片外扩展相关资源，如程序存储器、数据存储器、I/O口以及中断源等；而FPGA具有高速、高可靠性以及开发便捷、规范等优点，使其有机结合，缩短开发周期，适应市场需要。FPGA/CPLD具有高速、高可靠以及开发便捷、规范等优点，在功能上与单片机有很强的互补性。因此两类器件相组合的电路结构将在许多高性能仪器仪表和电子产品中被广泛应用。基于这种需求，本文设计了单片机与FPGA的总线接口逻辑电路，实现了单片机与FPGA数据与控制信息的可靠通信，是FPGA与单片机优势互补，组成

4、灵活的、软硬都可现场编程的控制系统，广泛应用在各个领域§2-1-2FPGA技术发展概况国内外发展状况自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA已经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门，乃至当新世纪来临之即，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可

5、编程器件的集成度提高到一个新的水平。目前，FPGA技术凭借它的独特优势，9已经跃之为电子应用(包括通讯技术、计算机应用、自动控制、仪器仪表、ASIC设计)领域广受欢迎的实用化技术，成为数字系统的科研实验、样机试制、小批量产品的即时实现的最佳途径。同时，FPGA器件的新功能、新构思正在不断出现，向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源越好来满足用户的需求，不断扩大市场，特别是引人注目的FPGA可动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计的巨大变

6、革目前FPGA/CPLD供货商全部来自美国公司，主要是Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel等。其中以Xilinx和Altera的市场占有率最大，是最大的可编程集成电路供货商。国内的FPGA技术发展也非常迅速，很多公司通过和国际上的大公司保持长期的合作，提高专业的技术指导和培训，培养更多的FPGA人才，凭借国内巨大的市场需求、丰富的人力资源，以及稳定的经济发展和优越的政府扶持等众多优势条件，近几年，可编程逻辑器件产业取得了飞速发展，不断研制出性能更好的产品，价格也不断降低，

7、很大程度上降低了设计者的开发成本FPGA技术的应用及发展趋势（1）深亚微米技术的发展正在推动了片上系统（SOPC）的发展。（2）芯片朝着高密度、低压、低功耗的方向挺进。（3）IP库的发展及其作用。（4）速度不断提高，性能不断提升。（5）FPGA动态可重构技术意义深远2-2　总线接口逻辑设计方案由于单片机以总线方式与FPGA/CPLD进行数据与控制信息通信有许多优点，因此在设计中，单片机与FPGA/CPLD接口采用总线方式。§2-2-1　设计原理对MCS51单片机与FPGA/CPLD以总线方式通信的逻辑

8、接口设计，应该详细了解MCS51单片机的总线读/写时序，并根据时序图来设计逻辑结构。MCS51单片机总线读/写的时序如图3所示，其时序电平变化速度与单片机工作时钟频率有关。9图3　MCS51单片机总线读/写时序CLK为单片机时钟信号，ALE为地址锁存使能信号。在读/写周期开始后，CPU把低8位地址送到P0口总线上，把高8位地址送到P2口总线上，利用ALE下降沿可将低8位地址锁存于地址锁存器中，而高8位地址信息一直锁存在P2口锁存器中；同时单片机利用读指令