单片机与CPLD的协处理研究

崔秀敏+朱向荣

摘 要：单片机具有逻辑控制功能灵活、成本低、易于产品化等优点，但单片机作为控制核心，硬件连线复杂、可靠性差，实际应用中需要外加扩展芯片，增加控制系统的体积；CPLD具有集成度高、可靠性好及工作速度快、与外围电路接口方便的优点；两者的组合使用，能够充分发挥两种器件各自的优点。该文就是基于此提出了单片机与CPLD协处理的研究及实现方法。

关键词：CPLD 单片机 协处理

中图分类号：TP910 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（b）-0043-02

单片微型计算机（单片机）自问世以来，因其小巧灵活、成本低、控制能力强、易于产品化等优势，在社会各领域中得到广泛的应用。然而，随着信息时代的到来，传统单片机固有的结构缺陷，使其呈现出诸多弊端， 单片机的端口数目、内部定时器和中断源的数目都有限，在应用中往往要加外围扩展芯片，这就增加了系统硬件的复杂程度；若选择CPLD作为系统控制核心，不仅可以简化系统设计，而且提高了系统的整体性能和系统稳定性，但若单独通过CPLD完成整个系统的控制功能，则需选用内部容量大，可用门数多的CPLD器件，这势必使系统功耗和成本都有所提高，而且控制时序的实现也相当复杂，应用者开发起来比较费力。该文提出一种基于CPLD与单片机技术的协处理方法。

1 硬件组成

该设计中单片机采用Atmel公司的89S52，CPLD采用XILINX的XCR3256XL；电源采用9 V的交流或直流电源，经LM7805稳压，为开发板提供5 V的直流电源；外部数据存储器扩展采用了一片6264；通过两片74LS377扩展了16个输出I/O；开发板设计了一路RS232接口，可以通过单片机的串口与PC机进行通信。A/D转换电路利用了ADC0809来实现。如框图1所示。

对于简单的项目，可由单片机或CPLD单独完成。对于复杂项目，可由单片机和CPLD联合完成。CPLD与单片机双向通信，由单片机作为主控制器，处理各种信息。接收用户操作指令并控制各个电路进行工作。其与RS232接口芯片相连，可与PC及其他设备进行串口通信，其Po和P213与CPLD相连，并可以通过CPLD进行接口扩展控制更多的外部电路。

2 软件实现

CPLD可选用ISE软件，采用VHDL或Verilog语言编程，编译成功后，通过Xilinx并口下载线下载到芯片中即可；单片机部分可选用通用的Keil软件，将程序编译成.HEX或.BIN后，下载到单片机芯片中即可。下载软件可选择网上流行的免费软件Easy51Pro。

3 应用测试

利用CPLD和单片机协处理开发板设计一显示模块来验证协处理的功能。其接线图如图2所示。

单片机的外部数据输出时序如图3所示，该时序是51单片机在执行MOVX @DPTR，A时的接口时序，为使协处理器接收来自单片机的数据，其必须实现：

（1）在ALE下降沿锁存P0口的低8位地址和P2口的高8位地址；

（2）在WR的下降沿锁存P0口的8位数据；

（3）比較16位地址是否与指定的显示缓冲区地址相同，若相同，将数据存入显示缓冲区；

（4）利用动态显示技术控制将缓冲区中的数据显示在数码管上。

在51单片机上定义协处理的显示缓冲区地址为0020H和0021H，编写程序如下：

MOV DPTR，#0020A

MOV A，#34H

MOVX DPTR，#0021H

MOV A，#12H＼

MOVX @DPTR，A

在Keil C51环境中编译成功，通过一个集成开发环境（μVision）下载到89S52中。

CPLD部分采用VHDL语言编程。其框图如图4所示。

在ISE环境中，编译，仿真，符合设计要求，下载到芯片中，结果如图5所示。

利用协处理器，开发板上显示结果正确，比较不用该协同设计技术实现相同功能，51单片机程序简单，运行速度提高。

4 结论

单片机+CPLD可以作为电子系统设计的一个框架，单片机智能控制灵活、逻辑运算能力强，可以实现复杂智能的控制与检测；CPLD集成度高、运算速度快，可以实现灵活多变的外围扩展电路设计，尤其是可以用硬件实现特殊的单片机无法实现的功能，相互弥补，使设计的系统具有结构紧凑、体积小，可靠性高等优点，完全能够达到设计者的要求。

参考文献

[1] 王振红，李洋.由可编程逻辑器件和单片机构成的双控制器[J].电子技术应用，2002（1）：79-81.

[2] 潘松，黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京：清华大学出版社，2005：13-67.

[3] 陈云洽，保延翔.CPLD应用技术与数字系统设计[M].北京电子工业出版社，2005：47-98.