CPLD在线加载技术浅谈

在讨论CPLD在线加载技术之前，先来说下CPLD和FPGA两种逻辑器件的差异。CPLD是complexprogrammablelogicdevice的缩写，中文意思是：“复杂可编程逻辑器件”；FPGA是FieldProgrammableGateArray，中文意思是：“现场可编程门阵列”。虽然它们都是可编程的ASIC，有很多共同点，但是由于在结构上的本质差异，具有各自的特点，在用途上也有很大的差异。1).CPLD主要是基于EEPROM或FLASH存储器的编程方式，编程次数可达1万次以上，该编程方式的优点是系统断电后编程信息不会丢失，所以，CPLD启动速度非常快，基本上上电就可以工作。而FPGA大部分是基于SRAM编程的，编程信息在系统掉电时会丢失，每次上电时，都需要从器件外部的FLASH或EEPROM中存储的编程数据重现写入内部的SRAM中。其有点是可以任意次编程，缺点是启动速度慢，需要CPU先启动，然后在CPU的控制下对FPGA进行逻辑加载。2).CPLD内部乘法器资源丰富，比较适合完成各种算法和组合逻辑，通常用来扩展CPU的I/O接口。而FPGA内部触发器资源丰富，更适合用于时序逻辑设计，通常用来模拟各种高速总线接口转换。3).CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程，而FPGA是要通过改变内部连线的布线来编程；FPGA可在逻辑门下编程，而CPLD是在逻辑块下编程。CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀可预测的，而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟是不可预测的。4).FPGA的集成度比CPLD高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现功能；CPLD的功耗比FPGA大，而且集成度越高越明显；CPLD的保密性好，FPGA的保密性差。随着FPGA技术的发展，未来的单板只要CPU+FPGA，另加一些外围器件就可以搞定了(FPGA可以模拟大部分专用IC器件)，真正实现硬件的软件化。现在有些FPGA厂商已经开始讲CPU嵌入到FPGA中(包括CS51核、RAM核、DSP等)，这样一来的话，简单的单板上连CPU都可以省去，只要一片FPGA加少量的外围器件就可以搞定了。目前主流的FPGA/CPLD厂商有：Altera,Xilinx,Lattice三家。好，现在言归正传，探讨下CPLD的在线加载方式。早期的CPLD是基于宏单元结构的，从外部加载逻辑时，CPLD的I/O口会进入三态状态，影响CPLD的正常工作。那么，如何才能做到在不影响CPLD正常工作的情况下更改CPLD里的逻辑呢？答案是CPLD逻辑在线加载技术。在很多场景下都需要这样的技术，比如某个骨干网或核心网的某个节点设备需要升级CPLD逻辑来规避某个BUG，当然，这些设备上运行的正常业务是不能暂停的，否则会导致大范围的网络中断，这是运营商所不能接受的，当然了，也不可能去现场用JTAG工具对CPLD进行升级，太麻烦了。可行的方法是通过串口或USB接口来给CPLD升级，最好的方法是通过以太网接口来给CPLD升级，此方法可以远程操作，不需要去现场，非常方便。不管是通过串口、USB还是以太网，这些升级方式都有一个共同点，那就是都要通过CPU中转，也就是先讲逻辑代码先通过与CPU连接的串口、USB口或以太网口写到CPU小系统的内存中去，然后再在CPU的控制下，将逻辑代码从内存写到CPLD中去。前面已经讲了，对普通CPLD进行逻辑升级时会使CPLD的I/O口进入三态状态(不管是通过JTAG工具加载还是CPU加载)，从而影响正常业务。看来，传统的CPLD由于其自身的结构原因，是无法做到在线加载的！针对日益增长的CPLD在线加载需求，主流CPLD厂商推出了支持在线加载的新型CPLD芯片。新型CPLD芯片采用FLASH+FPGA逻辑单元结构。(传统的CPLD是基于宏单元的结构，内部没有存储单元，存储不了代码，新型CPLD内部有FLASH存储单元，可以存储代码)，如下图所示。JTAG1149.1是IEEE制定的JTAG原始标准，IEEE1532是一个符合IEEE1149.1标准的超级，用来对在线系统配置，主要用于对闪存、嵌入式控制器的存储器、复杂可编程逻辑器件(CPLD)和FPGA来进行编程。新型CPLD芯片有两种加载方式。1).将编程文件直接加载到片上FLASH和用户逻辑中，这种方式与片外加载方式一样，加载逻辑的时候，所有I/O口会进入三态。2).另外一种方法是首先将编程文件加载到CPLD的片上FLASH，这个过程不影响CPLD正常工作，之后通过指令或重新上电的方式将FLASH中的逻辑激活到用户逻辑。逻辑激活所需的时间非常短，只需要几毫秒，甚至有些CPLD在激活过程中能指定用于I/O口的输出电平，从而不影响正常工作。关于CPLD在线加载的硬件设计方案，目前流行的做法是JTAG二选一兼容设计，即在默认状态下将CPLD连接到JTAG链上，此时可利用外部JTAG控制器对CPLD进行加载，需要在线升级时，通过指令将JTAG链路切换到CPU的I/O或扩展I/O上，通过CPU的I/O端口模拟的JTAG主控制器对CPLD进行加载，其硬件实现方案有很多，现列举两个供大家参考。方案一如下图所示。（点击看清楚大图）该方案使用一片二选一CMOS器件74HC157，通过使能管脚A/~B来控制输出，当使能管脚接高电平时，1A/2A/3A/4A分别与1Y/2Y/3Y/4Y连接；当使能管脚接低电平时，1B/2B/3B/4B分别与1Y/2Y/3Y/4Y连接。本设计中，使能管脚通过VCC上拉到高电平，即默认状态下，CPLD是与板内的JTAG链连接，可以通过板外的JTAG控制器对CPLD进行逻辑加载。当需要对CPLD进行在线加载时，可通过指令将74HC157的使能管脚驱动为低电平，此时，CPU的I/O或其扩展的I/O与CPLD直接连接(此时CPLD从板上JTAG链中断开)，可直接通过I/O模拟出来的JTAG总线对CPLD进行逻辑加载。方案一目前已被申请专利。方案二如下图所示。方案二与方案一类似，也是使用二选一CMOS器件74HC157，与方案一不同的是，它不是直接通过CPU的I/O端口来模拟JTAG主控制器来对CPLD进行加载的，而是使用CPLD自身的I/O端口来模拟JTAG主控制器来给自己加载。电路原理请参照方案一的分析。目前不仅有支持在线加载的CPLD器件，也有支持在线加载功能的FPGA器件，例如LATTICE公司的LatticeXP,LatticeXP2两个系列的FPGA。其内部结构原理跟在线加载功能的CPLD是一样的，都是在片内集成了一个存储单元。