什么是CPLD？基于CPLD的QWERTY 鍵盤設(shè)計(jì)

一種集成電路，屬于PLD，電路規(guī)模較大。

CPLD是指結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的可編程邏輯器件，它包括下述輸出宏單元結(jié)構(gòu)：

可編程I/O 允許用戶對(duì)這些引腳編程，作為輸入或輸出。

寄存器輸出和反饋可用于實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器和移位寄存器等。

異或門輸出結(jié)構(gòu)，可用于一般用戶多功能計(jì)數(shù)，能十分有效地建立大的計(jì)數(shù)器。

AMD公司最先生產(chǎn)帶有宏單元的可編程邏輯器件PAL22V10。目前PAL22V10已成為劃分PLD的界限。可編程邏輯器件所包含的門數(shù)大于PAL22V10所包含則門數(shù)，就被認(rèn)為是復(fù)雜可編程邏輯器件，即CPLD。

可以認(rèn)為CPLD基本上是原來(lái)的可編程邏輯器件的擴(kuò)展。它常常由可編程邏輯的功能塊圍繞一個(gè)位于中心、時(shí)延固定可編程互連矩陣構(gòu)成。由于用固定長(zhǎng)度的金屬線實(shí)現(xiàn)邏輯單元之間的互連，而可編程邏輯單元又是類似PAL的與陣列，使得CPLD與FPGA相比較很容易計(jì)算輸人到輸出的傳輸延遲，顯然也會(huì)有一些靈活性的限制。但是，CPLD的設(shè)計(jì)比FPGA簡(jiǎn)單。

雖然CPLD的結(jié)構(gòu)一般都很相似，而且一般認(rèn)為CPLD都有100％的布通率，但是由于可編得互連矩陣的結(jié)構(gòu)不同，實(shí)際上也會(huì)有差別。

CPLD 是 Complex PLD 的簡(jiǎn)稱，顧名思義，其是一種較 PLD 為復(fù)雜的邏輯元件。

CPLD 是一種整合性較高的邏輯元件。由于具有高整合性的特點(diǎn)，故其有性能提升，可靠度增加， PCB 面積減少及成本下降等優(yōu)點(diǎn)。 CPLD 元件，基本上是由許多個(gè)邏輯方塊（ Logic Blocks ）所組合而成的。而各個(gè)邏輯方塊均相似于一個(gè)簡(jiǎn)單的 PLD 元件（如 22V10 ）。邏輯方塊間的相互關(guān)系則由可變成的連線架構(gòu)，將整個(gè)邏輯電路合成而成。

常見(jiàn)的 CPLD 元件有 Altera 公司的 Max5000 及 Max7000 系列。 Cypress 的 Max340 及 Flash370 系列等，一般來(lái)說(shuō) CPLD 元件的gate count約在 1000~7000 Gate 之

隨著手機(jī)及其他便攜手持裝置的功能不斷增加，設(shè)計(jì)的取舍平衡亦日趨精細(xì)。文本信息與網(wǎng)絡(luò)瀏覽等流行功能都要求更多的數(shù)據(jù)輸入，而這對(duì)于傳統(tǒng)的雙音多頻（DTMF）（0-9， #， *）鍵盤會(huì)比較困難。使用這種鍵盤要求多端數(shù)據(jù)輸入，輸入效率低而且容易出錯(cuò)。

圖 1 – QWERTY 鍵盤（摩托羅拉 A630）

使文本輸入更為方便的一個(gè)方法是使用 QWERTY 鍵盤（見(jiàn)圖 1）。這種鍵盤采用 40 個(gè)或更多按鍵，而 DTMF 手機(jī)通常采用 12 個(gè)。當(dāng)然，多出的按鍵會(huì)使手機(jī)體積變大，用到的電子組件也更多。

然而，文本信息用戶可能樂(lè)意以體積換取 QWERTY 鍵盤，因?yàn)槲谋据斎氪鬄楹?jiǎn)便了，而且兩個(gè)大拇指都可以用來(lái)輸入文本信息或數(shù)據(jù)。最近，有些手機(jī)生產(chǎn)商已經(jīng)推出了面向文本用戶的帶 QWERTY 鍵盤的手機(jī)。

數(shù)據(jù)輸入鍵盤可以用多種方法來(lái)設(shè)計(jì)，并無(wú)一定之規(guī)。為傳統(tǒng) DTMF 鍵盤添加更多按鍵對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn)，本文即討論應(yīng)對(duì)這挑戰(zhàn)的一種可能解決方案。

QWERTY 構(gòu)建模塊

我們的解決方案使用 Xilinx? CoolRunner?-II CPLD；低功耗、小包裝及低成本的特點(diǎn)使其成為此應(yīng)用的理想選擇。

將 DTMF 轉(zhuǎn)化為 QWERTY 鍵盤需要更多按鍵，從而需要更多通用 I/O （GPIO）。例如，DTMF 鍵盤可能只有四行三列，而 QWERTY 鍵盤可能有多至八行八列。不過(guò)，鍵盤的大小可根據(jù)終端系統(tǒng)的需求而定。

什么是CPLD？基于CPLD的QWERTY 鍵盤設(shè)計(jì)

圖 2 – 連接到處理器的簡(jiǎn)單 4 x 4 鍵盤需要 8 個(gè) GPIO

通常，將處理器或 DSP 用作連接鍵盤行和列的界面（見(jiàn)圖 2）。處理器對(duì)行進(jìn)行掃描，對(duì)列進(jìn)行監(jiān)控，以檢測(cè)邏輯變化。當(dāng)變化發(fā)生，即表示用戶按下了一個(gè)按鍵。知道被掃描的是哪一行，以及哪一列的狀態(tài)發(fā)生了變化，處理器即可推斷出按下的是哪個(gè)按鍵。

擴(kuò)展 I/O

設(shè)計(jì)需要更多 I/O 的鍵盤時(shí)（QWERTY 鍵盤即為一例），可能會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有處理器沒(méi)有足夠的 GPIO。一種可能的解決方法是，把一個(gè) CPLD 用作 I/O 擴(kuò)展器，從而減少對(duì)處理器 I/O 數(shù)量的要求。

圖 3 在處理器與鍵盤之間使用了一個(gè) CPLD，其一側(cè)連接鍵盤的行/列，另一側(cè)連接處理器的可用 GPIO。此例中，使用一個(gè) CPLD 后，一個(gè) 8 x 8 的鍵盤所需要的處理器 GPIO 端口的數(shù)目與 4 x 4 的鍵盤相同（實(shí)際上還少一個(gè)）。如果不使用 CPLD，處理器會(huì)需要 16 個(gè) GPIO 端口，而不是 7 個(gè)。

掃描與編碼

除了減少處理器對(duì) GPIO 的數(shù)量要求外，CPLD 還可以承擔(dān)處理器的某些功能，如：對(duì)行進(jìn)行掃描并對(duì)列進(jìn)行監(jiān)控以檢測(cè)狀態(tài)變化。當(dāng)用戶按鍵時(shí)，CPLD 會(huì)停止掃描，并立即生成一個(gè)編碼字，然后發(fā)送給處理器，告訴處理器哪個(gè)鍵按下了。因?yàn)槭褂昧司幋a字來(lái)告知處理器按下了哪個(gè)按鍵，對(duì)處理器的 I/O 需求得以減輕。

什么是CPLD？基于CPLD的QWERTY 鍵盤設(shè)計(jì)

圖 3 – 使用 CoolRunner-II CPLD 擴(kuò)展 GPIO

在圖 3 所示例子中，用 6 個(gè)位來(lái)代表編碼字。6 個(gè)位提供 26（即 64）個(gè)不同的值，每個(gè)值代表一個(gè)按鍵。然而，還必須有一個(gè)值代表無(wú)按鍵被按時(shí)的狀態(tài)。因此，在此例中，在不添加又一個(gè) GPIO 的情況下，實(shí)際上只有 63 個(gè)按鍵可被代表。

處理器無(wú)需掃描鍵盤，因?yàn)檫@一操作現(xiàn)由 CPLD 執(zhí)行；不過(guò)，處理器仍需監(jiān)控其 GPIO 上的變化 – 它只是不再需要推斷哪個(gè)按鍵被按，因?yàn)樵撔畔⒕幋a到一個(gè)六位字中了。

還需要用到的是開(kāi)關(guān)抖動(dòng)，這可以安排在 CPLD 中或處理器中，取決于哪個(gè)裝置有可用資源。在處理器中進(jìn)行這一操作，可將 CPLD 的大小和成本降到最小。

簡(jiǎn)要總結(jié)此設(shè)計(jì)示例：CPLD 對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，檢測(cè)被按下的按鍵，然后提供一個(gè)編碼字供處理器讀取并解析。這一功能不僅使處理器不必再承擔(dān)掃描任務(wù)，還擴(kuò)展了 GPIO 的功能。

此設(shè)計(jì)非常適合于 CoolRunner-II 32 宏單元裝置（利用率大約為 75%），留下 25% 空間作他用。此外，此設(shè)計(jì)還采用了其他一些方法來(lái)減少功耗并利用 CoolRunner-II 的節(jié)能功能。

CPLD 設(shè)計(jì)詳述

要掃描鍵盤的行，桶式移位寄存器除一位預(yù)置為零外，其他所有位均預(yù)置為 1。移位寄存器的每一位驅(qū)動(dòng) CPLD 上的一個(gè)輸出引腳，后者與鍵盤的行相連。當(dāng)移位寄存器開(kāi)始計(jì)時(shí)時(shí)，零位通過(guò)桶式移位器移位，將行逐行置低，以對(duì)其進(jìn)行掃描。鍵盤的列輸入到 CPLD，每個(gè)輸入都通過(guò)一個(gè)內(nèi)部上拉電阻上拉。

當(dāng)沒(méi)有按鍵被按時(shí)，CPLD 的所有列輸入都被動(dòng)上拉至邏輯高位。對(duì)所有的列輸入一起進(jìn)行“與”操作，這時(shí)輸出端的邏輯 1 表示沒(méi)有按鍵被按。

“與”操作的輸出用于啟動(dòng)移位寄存器。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，列與行取得連接，按下的鍵所在的列被與該按鍵相關(guān)的行置低?！芭c”操作的輸出將變?yōu)榱?，從而在按鍵被按下時(shí)中止移位寄存器。

什么是CPLD？基于CPLD的QWERTY 鍵盤設(shè)計(jì)

圖 4 – 模塊圖

此時(shí)，移位寄存器將按下的鍵所在的行置低，而該鍵所在的列亦處于低位。為了使這些信息相關(guān)聯(lián)，使用了兩個(gè)編碼器：一個(gè)用于行位（移位寄存器的輸出），另一個(gè)用于列輸入。兩個(gè)編碼器的輸出組合起來(lái)，就構(gòu)成發(fā)送給處理器的編碼字。圖 4 為這一操作的模塊圖。