基于可编程逻辑器件的嵌入式系统硬件原型设计

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------基于可编程逻辑器件的嵌入式系统硬件原型设计摘要：硬件原型在嵌入式系统设计中具有重要的作用。将可编程逻辑器件引入到嵌入式系统的硬件原型设计中，用来连接最小系统和外设模块，通过在系统编程进行系统的重构，提高了灵活性和模块重用性，降低了设计风险，为硬件原型设计提供了一种快速有效的方法。关键词：嵌入式系统硬件原型最小系统可编程逻辑器件1．引言嵌入式系统是一

2、种对功能、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统，它以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁减。嵌入式系统应用的领域非常广泛，需求量在急速增长。嵌入式系统的设计开发也面临系统日趋复杂和上市时间越来越短的压力。在嵌入式系统开发过程的早期，设计者一般都会制作一个硬件原型，然后基于此原型来调试硬件和开发软件。通常这些原型系统中的电路连接关系是通过印刷电路板（PCB）上的物理连线实现的，存在以下不足：（1）电路路连接关系很难更改。在大部分硬件原型中会设置一些跳线，但灵活性非常有限。电路的修改虽然也可以通过飞线来完成，但随着多层电路板和

3、表贴封装（特别是BGA）芯片的广泛使用，这种做法也越来越困难了。（2）各个硬件模块的重用性较差。针对不同的硬件原型，很难重用以前制作好的模块。——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------（3）原型的各种信号测试困难。在硬件原型的调试完善过程中，需要测试大量的信号，因此要将测试信号一对一连接到测试点或者测试插座上，提高

4、了PCB的布线难度，带来了额外的电磁干扰。这些不足使得设计者常常需要多次重新制作电路板，大大增加开发的费用和时间。针对上述情况，我们考虑在嵌入式系统中使用具有在系统编程（ISP）功能的可编程逻辑器件，从而增强系统的灵活性。2．基于可编程逻辑器件的嵌入式系统原型设计可编程逻辑器件是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起来的，具有高密度，高速度，低功耗体系结构和逻辑关系灵活等特点，在现代电子工程设计中得到了广泛应用[1][2]。现在在嵌入式系统中也常使用可编程逻辑器件，但一般用来实现各种接口的控制逻辑电路，比如CF卡接口、PCI接口和CA

5、N总线接口电路[3][4]等，其作用范围局限在整个系统的某个模块中。现在的嵌入式系统设计中，大部分都是选定某厂家的嵌入式处理器芯片，然后设计最小系统，再按照项目的需求扩展外围模块，进而形成系统的硬件原型。可以注意到，最小系统一般仅包括CPU、RAM、ROM和复位电路，很多嵌入式处理器的生产厂家都会提供最小系统的参考设计图，因此最小系统的电路都比较成熟，不需要设计者调试和修改。而通常变动较大的是最小系统和各个外围模块之间的连——————————————————————————————————————--------------------

6、----------------------------------------------------------------------------接电路。同时，嵌入式处理器和存储器芯片之间的总线频率一般都有几十甚至上百兆赫兹，如果在两者之间使用可编程逻辑器件连接，由于可编程逻辑器件引脚到引脚的延迟在纳秒的数量级，会大大影响整个系统的性能。因此可编程逻辑器件在嵌入式系统硬件原型中，被安置在最小系统之外，用来连接最小系统和各个外设模块。基于这种思想的嵌入式系统原型基本框架图如图1所示。如果使用的嵌入式处理器的总线驱动能力较差，在连接到

7、可编程逻辑器件时需要增加驱动环节，如74HC245芯片，来减小总线信号的衰减，保证硬件原型的正常稳定运行。图1基于可编程逻辑器件的嵌入式系统硬件原型框图将可编程逻辑器件引入到嵌入式系统的硬件原型设计中，从多方面方便了设计者，提高了设计的效率，降低了开发成本：（1）由于可编程逻辑器件的引脚重定义特性，在PCB设计时可以根据需要调整引脚位置使走线距离缩短，不仅可减少过孔，提高线路的抗电磁干扰能力，还能有效地减少PCB设计的工作难度和工作量。（2）由于可编程逻辑器件的在系统编程功能，可以在不改动PCB板的情况下配合软件实现硬件连接关系的现场修

8、改或升级。修改设计不再需要重新制板，大大节约了成本和时间。（3）最小系统用于扩展外围模块的资源，比如片选、中断和I/O引脚等，都非常有限。使用可编程逻辑器件对这些引脚进行扩展或者重用，可以灵活地让多个外设模