利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)CPLD的在系統(tǒng)編程

一、問(wèn)題的提出

嵌入式系統(tǒng)而靈活性的要求。一方面，應(yīng)用環(huán)境會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)不斷提出新的要求，需要更改最初的設(shè)計(jì)；另一方面指生產(chǎn)多個(gè)品種時(shí)希望盡量能在單一的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。為了最大限度地滿足靈活性的需要，嵌入式系統(tǒng)一般都設(shè)計(jì)而可編程邏輯器件CPLD。在設(shè)計(jì)階段和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行之后的各個(gè)階段，都可能會(huì)遇到設(shè)計(jì)的升級(jí)、修改和測(cè)試問(wèn)題。FLASH的使用方便了程序的更新；帶而在系統(tǒng)可編程（ISP）功能的可編程邏輯器件，使得不需重新設(shè)計(jì)印制板就可以改變?cè)脑O(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，又使得遠(yuǎn)程維護(hù)成為可能。

筆者設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程維護(hù)。其中CPLD采用了XILINX公司的XC9500系列。

二、JTAG簡(jiǎn)介

JTAG簡(jiǎn)介

JTAG是IEEE的聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組（Joint Test Action Group）所制定的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（IEEE1149.1-1990），使得用戶可以測(cè)試器件的邏輯和相互之間的連接。目前，它是國(guó)際上最流行的ICE技術(shù)，眾多的芯片廠家都在自己的產(chǎn)品中加入JTAG口，以便用戶調(diào)試。

XILINX的XC9500系列CPLD采用了JTAG的編程和測(cè)試指令。XC9500系列CPLD帶而測(cè)試訪問(wèn)口TAP（Test Access Port），包括4個(gè)引腳：
*TDI-測(cè)試數(shù)據(jù)輸入；
*TDO-測(cè)試數(shù)據(jù)輸出；
*TCK-測(cè)試口同步時(shí)鐘；
*TMS-測(cè)試模式選擇。

當(dāng)用基于PC機(jī)的編程軟件對(duì)CPLD進(jìn)行編程時(shí)，PC機(jī)的并口經(jīng)轉(zhuǎn)換板與目標(biāo)器件的TAP接口相連，完成編程工作。

在本設(shè)計(jì)上，將MCU的I/O口與CPLD的TAP接口相連，利用MCU的I/O口模擬JTAG測(cè)試口的行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLD的編程。

三、SVF與XSVF

SVF （Serial Vector Format）格式由TI公司和Teradyne公司于1991年聯(lián)合開(kāi)發(fā)完成。SVF文件是一個(gè)ASCII碼文件，用于描述基于IEEE.1119.1 標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試模式，包括激勵(lì)、預(yù)期響應(yīng)和屏蔽數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)SVF的初衷就是獲得一種獨(dú)立于供應(yīng)商的IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試模式，它能夠在各個(gè)仿真軟件和測(cè)試儀器廠商之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以應(yīng)用于從設(shè)計(jì)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)診斷各個(gè)階段。

SVF文件中包含了編程所需要的命令及相應(yīng)的數(shù)據(jù)。SVF文件由一系列SVF語(yǔ)句組成。語(yǔ)句以分號(hào)結(jié)束。每一個(gè)語(yǔ)句由一個(gè)命令和相關(guān)的參數(shù)組成。命令分為三類：狀態(tài)命令、偏移命令和并行命令。其中狀態(tài)命令說(shuō)明測(cè)試序列如何驅(qū)動(dòng)IEEE1149.1TAP的狀態(tài)機(jī)，包括：
*SDR-掃描數(shù)據(jù)寄存器；
*SIR-掃描指令寄存器；
*ENDDR-數(shù)據(jù)寄存器掃描結(jié)束；
*ENDIR-指令寄存器掃描結(jié)束；
*RUNTEST-進(jìn)入測(cè)試/空閑狀態(tài)；
*STATE-進(jìn)入特定狀態(tài)；
*TRST-驅(qū)動(dòng)TRST為特定電平。

XILINX 的CPLD通過(guò)自身的TAP接口接受SVF格式的編程指令和JTAG邊界掃描指令。事實(shí)上，XILINX提供的JTAGProgrammer編程軟件能夠自動(dòng)將標(biāo)準(zhǔn)的JEDEC/BIT格式的編程文件轉(zhuǎn)換為SVF格式；但是SVF文件格式為ASCII碼，需要較大的存儲(chǔ)空間，并不適合直接用于嵌入式系統(tǒng)。為此，需要一種結(jié)構(gòu)更為緊湊的數(shù)據(jù)格式-XSVF。

XSVF用與SVF類似的方法描述IEEE1149.1總線的操作。SXVF與SVF的最大區(qū)別在于它能獲得更大的數(shù)據(jù)壓縮率，從而得到較小的文件。它是二進(jìn)制格式的。

SVF轉(zhuǎn)換為XSVF可以利用XILINX公司的軟件SVF2XSVF.EXE來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)轉(zhuǎn)換之后的文件大小如表1所列。注意文件的大小只與芯片的型號(hào)相關(guān)而和邏輯的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)。

四、實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。

第一步，利用XILINX提供的工具，用原理圖或HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)所需的邏輯，然后進(jìn)行綜合。

第二步，將編程文件輸出為標(biāo)準(zhǔn)的JEDEC文件（*.jed）。

第三步，順JTAGProgrammer環(huán)境下，將編程文件進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為SVF文件。

第四步，利用VSF2XSVF軟件，將SVF轉(zhuǎn)換為XSVF。

第五步，將二進(jìn)制的XSVF轉(zhuǎn)換為MCU可接受的相應(yīng)格式。本設(shè)計(jì)中采用Intel公司16位單片機(jī)，所以生成Intel Hex格式文件。

當(dāng)需要更新邏輯時(shí)，MCU從網(wǎng)絡(luò)總線上獲得更新后的XSVF文件（Intel Hex格式），暫存于RAM空間，然后讀取XSVF文件命令，逐條解釋，并予以執(zhí)行，即通過(guò)I/O口模擬JTAG的TAP口操作，產(chǎn)生編程指令、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，完成對(duì)CPLD的擦除、編程、校驗(yàn)、讀寫(xiě)保護(hù)設(shè)置等項(xiàng)工作。