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　　图3 将PLD用作一个串行IO扩展器

　　接下来就需要一个协议，定义从微控制器到外部PLD的数据流的指令和寻址机制。对于基于SPI的实现，无需太多担心。SPI不需要数据流中的任何信息进行寻址，因为SS和SCLK信号已经根据协议提供了控制寻址。因此，用户只需控制整个数据有效载荷的传输。

　　外部PLD的I2C实现稍微复杂一些。首先，在将数据传输到总线上之前，要对器件寻址，必须识别出这个PLD。这种差异正是选择这两种串行总线架构时需要考虑权衡的地方：SPI架构不需要一个指令翻译器来寻找到特定的从器件，但比I2C结构需要更多引脚。

　　远程故障记录

　　考虑到外部的非易失性存储器成本低，以及便于通过串行总线如I2C或SPI接口进行连接，将外部非易失性存储器与PLD结合使用，可以为用户提供极具成本效益的方式来实现系统中的远程故障记录管理。图4显示了一个典型的系统应用，不仅使用了之前重点介绍的IO扩展功能，也说明了怎样将外部存储器纳入系统架构中使用。

　　图4 远程故障记录

　　在这个架构中，PLD主要负责监测、控制和与微控制器通信。然而，它也负责执行线路上额外的监测/控制分析和故障信息记录，通过串行总线写入非易失性存储器。电压监控、看门狗定时器和PCB上的其他故障条件可以通过PLD写入非易失性存储器。通常情况下，检测到故障后，系统中其他监控器的状态，如温度和电压以及时间信息将被保存。

　　应当注意的是，这样一个系统在实现时有一个重要的考虑。如果PLD是外部非易失性存储器的主器件，那么它还需要决定串行总线的控制和寻址。这个决定对于使用SPI总线而言很容易;设计师必须实现一个从SPI器件，与微控制器进行通信，以及一个独立的主SPI器件，可以访问外部存储器。

　　对于I2C总线，设计师有几个选择。第一种选择是设计类似SPI那样的设计，使用一个从器件与微控制器通信，以及一个主器件访问外部存储器。第二种选择是使用PLD，同时作为主器件和从器件。这种方法的好处是，系统中只有一条串行总线，因此微控制器可以直接访问非易失性存储器，而无需PLD翻译指令然后从存储器中读取信息。然而，由于不是在PLD中简单地使用一个从器件，现在设计必须处理寻址和总线控制。

　　传感器和外设汇聚

　　基于串行接口的标准产品的数量日益增长。你可以在温度传感器、压力传感器、A/D转换器、数字电位器、实时时钟和LCD控制器等等应用中找到串行接口，这里仅列举了几个来说明。要了解如何将这些集成到设计中的关键是要知道哪些外设需要“实时”使用以及“实时”意味着什么。举例来说，在系统中温度是一个相对缓慢变化的对象，并可以很容易地通过串行总线监控。用于电流或电压检测的A/D转换器可能是也可能不是一个“实时”需求，这要根据正在测量的内容，以及需要多快的检测速度而定。

　　一旦你已经确定了外设的优先级，然后你可以将较低优先级的外设让PLD处理，减轻处理器的负担，如图5所示。

　　图5 传感器汇聚示例

　　在上面的例子中，微控制器只需与2个而非4个外设进行通信。

　　这种安排还有另外一个好处。你可以使用一个功能强大的PLD来预处理数据，然后由微控制器读取。例如，请考虑一个应用，使用A/D采样测量一个三相电力系统的电压和电流，并进行故障检查。一个拥有强大DSP功能的PLD可以代替DSP或微控制器执行RMS计算、峰值电流分析、相位计算和FFT。现在采样速率受到PLD收集样本和处理数据所需时间的限制。然后，微控制器可以读取编译的数据，将更多的时间用于处理控制和报告工作。设计师们应该好好考虑微控制器处理能力、PLD处理能力、成本和空间之间的权衡。

　　下一步：集成

　　鉴于这些串行总线与小型可编程逻辑器件相结合使用的实用性，下一步将是将至少一种串行总线标准（如果不能兼顾）集成到PLD中。这种集成降低了PLD解决方案的成本和功耗。此外，串行总线接口的编码不再是设计师需要解决的问题。设计师只需要处理他们的应用和逻辑要求，而不是集成一个开放的核。

　　莱迪思半导体公司提供的最新的CPLD就可以为设计师带来这些优点。MachXO2™系列中的嵌入式功能块（EFB），包含预先设计的解决方案，可以用来实现上面所述的任意系统控制功能。MachXO2器件包含一个SPI控制器以及2个I2C控制器。所有串行总线控制器都可以配置为主或从器件。此外，MachXO2还为设计师们提供了一个定时器/计数器块以及少量的用户可访问的闪存（UFM）。

　　除了上面提到的解决方案，串行总线与PLD相结合可以为系统提供其他的好处，即使有时它们在架构设计过程后才显现出来。它们并不是所有弊病的灵丹妙药，但它们在设计中的实用性是有据可查的，有无数的开源核和设计方案可以给予不同的架构设计师们指引，实现最佳的解决方案。

关键词： PLD 串行总线 扩展系统