使用DS89C450對(duì)Xilinx PROM的在系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)

摘要：使用DS89C450型單片機(jī)的I／O口實(shí)現(xiàn)JTAG通信協(xié)議，再用部分I／O口構(gòu)造片選邏輯，來對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中多片Xilinx Platform Flash PROM進(jìn)行在系統(tǒng)編程(ISP)，以此來更新對(duì)應(yīng)的FPGA的配置數(shù)據(jù)。同時(shí)，DS89C450通過在應(yīng)用編程(IAP)來更新用戶代碼。將硬件電路設(shè)計(jì)在背板上，實(shí)現(xiàn)插板式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)升級(jí)。
關(guān)鍵詞：DS89C450；JTAG；IAP；Xilinx Platform Flash PROM

引言
    可編程邏輯器件(FPGA、CPLD等)廣泛用于現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中，在一個(gè)系統(tǒng)中往往會(huì)用1片以上的可編程邏輯器件。作為最大的供應(yīng)商之一，Xilinx公司的器件獲得了廣泛的應(yīng)用。基于查找表技術(shù)的FPGA在應(yīng)用時(shí)需要外置一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)。如何方便靈活地對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中多片F(xiàn)PGA的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行升級(jí)是本文討論的問題。

1 系統(tǒng)概述
    Xilinx的Platform Flash PROM包括XCFxS和XCFxP系列，它們都是帶JTAG接口的PROM，都支持JTAG ISP Programming，本文主要以XCF-01S為例。DS89C450型單片機(jī)是一款超高速的高性能單片機(jī)，其顯著特點(diǎn)是速度快，一個(gè)機(jī)器周期只需要一個(gè)時(shí)鐘周期；通過使能，可以激活其內(nèi)部的1 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，來作為數(shù)據(jù)緩存；同時(shí)它具有64KB的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，支持ISP、IAP。
    本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能是：
    ①DS89C450的在應(yīng)用編程(IAP)。通過使用IAP，單片機(jī)用戶代碼的更新和修改將十分方便。
    ②使能DS89C450內(nèi)部1 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在對(duì)Platform Flash PROM編程時(shí)，作為數(shù)據(jù)緩存，這樣將無需在片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而減小了電路板面積，同時(shí)提高了訪問速度，節(jié)省成本。
    ③用DS89C450的P1口的4根線模擬JTAG的時(shí)序邏輯，實(shí)現(xiàn)與Platform Flash PROM的通信；余下的4根線用來構(gòu)造片選邏輯，將整個(gè)電路設(shè)計(jì)在背板上，將串口引出到設(shè)備面板來與上位機(jī)通信。
    ④采用匯編語言開發(fā)，使iMPACT下載和單片機(jī)下載互不沖突，方便實(shí)現(xiàn)插板式機(jī)箱結(jié)構(gòu)。
    該設(shè)計(jì)在設(shè)備調(diào)試、遠(yuǎn)程維護(hù)、功能擴(kuò)展和修改等方面將具有很高的靈活性，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2 DS89C450 IAP的實(shí)現(xiàn)
    DS89C450內(nèi)部集成了64 KB的Flash程序存儲(chǔ)器，64 KB Flash分為2部分，低32 KB區(qū)(地址范圍0000H～7FFFH)和高32 KB區(qū)(地址范圍8000H～FFFFH)。只有高32 KB區(qū)才可以由IAP程序訪問，這個(gè)空間將存放用戶代碼。DS89C450內(nèi)部有一個(gè)存儲(chǔ)器管理單元(MMU)，它實(shí)際上就是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，獨(dú)立于處理器核心而存在，只需向相應(yīng)的特殊功能寄存器中寫入命令、地址、數(shù)據(jù)等，將啟動(dòng)MMU，實(shí)現(xiàn)對(duì)高32 KB區(qū)的擦除、編程、校驗(yàn)以及系統(tǒng)復(fù)位。而在低32 KB區(qū)存的是IAP程序，IAP程序代碼是通過燒錄器燒寫進(jìn)去的。
    IAP程序?qū)⑼ㄟ^串口和上位機(jī)通信，在系統(tǒng)上電后，上位機(jī)發(fā)出是否要更新高32 KB區(qū)代碼的命令，若不更新，則IAP程序立即跳轉(zhuǎn)至8000H處取指令，執(zhí)行高32 KB區(qū)的用戶代碼；若上位機(jī)發(fā)出了更新高32KB區(qū)代碼的命令，IAP程序?qū)⑦M(jìn)入工作狀態(tài)，它將首先擦除高32 KB區(qū)，然后準(zhǔn)備接收新的用戶代碼(即對(duì)Platform Flash PROM操作的代碼)，收到新代碼數(shù)據(jù)之后，將其寫入高32 KB區(qū)；新代碼文件全部寫入之后，由上位機(jī)發(fā)出校驗(yàn)命令，IAP程序?qū)⒏?2 KB區(qū)按字節(jié)讀出，并計(jì)算出累加和，作為校驗(yàn)和回送上位機(jī)。
    上述所有操作都是通過讀寫2個(gè)特殊功能寄存器來實(shí)現(xiàn)的，這2個(gè)寄存器是FCNTL(地址：D5H)和FDATA(地址：D6H)，圖2給出了編程的流程。

3 DS89C450片上1 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的使用
    無論是在IAP程序更新高32 KB區(qū)的用戶代碼時(shí)，還是在刷新Platform Flash PROM內(nèi)的配置數(shù)據(jù)時(shí)，在DS89C450和上位機(jī)之間都會(huì)有大量的數(shù)據(jù)傳遞。DS89C450內(nèi)部集成了1 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它將用作數(shù)據(jù)的緩存，因此不需要再擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。同時(shí)，采用匯編語言開發(fā)，將有效提高資源的利用率。這1 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在默認(rèn)情況下是不可用的，需要設(shè)置相應(yīng)的特殊功能寄存器位來激活。將DME0位(PMR．0)置1激活它，激活之后采用MOVX指令訪問，相比訪問外部擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器速度更快。

4 DS89C450與Xilinx Platform Flash PROM
    結(jié)合Xilinx的器件，先簡要介紹JTFAG接口的工作原理。
    JTAG又稱為邊界掃描(boundary scan)，是符合IEEE STD 1149．1的通信標(biāo)準(zhǔn)，它含有一個(gè)TAP控制器，也就是一個(gè)狀態(tài)機(jī)。所有的指令、數(shù)據(jù)的輸入以及數(shù)據(jù)的輸出都是在狀態(tài)機(jī)的控制下完成的，如圖3所示。

    JTAG接口一般用到了下面4根線：
    TMS——模式選擇輸入，在TCK的上升沿送入TAP控制器，用于狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；
    TDI——輸入引腳，指令和數(shù)據(jù)通過它在TCK的上升沿送入TAP控制器；
    TDO——輸出引腳，數(shù)據(jù)在TCK的下降沿由此輸出；
    TCK——輸入時(shí)鐘，為TAP控制器的輸入和輸出提供時(shí)序控制。
    TAP控制器含有1個(gè)指令寄存器和若干數(shù)據(jù)寄存器(數(shù)據(jù)掃描鏈)，對(duì)于Xilinx的可編程邏輯器件，其指令寄存器一般為8位。TAP控制器的工作流程是，通過TMS引腳，使?fàn)顟B(tài)機(jī)按照?qǐng)D3所示的轉(zhuǎn)換圖處于某一狀態(tài)下，送入特定的指令，TAP控制器對(duì)指令進(jìn)行譯碼，譯碼結(jié)果將產(chǎn)生相關(guān)動(dòng)作，例如選擇一條數(shù)據(jù)掃描鏈準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，或捕獲功能引腳信號(hào)到數(shù)據(jù)寄存器等。
    本設(shè)計(jì)中，硬件連接圖如圖4所示，每個(gè)JTAG接口都與一片74AHCT245相連，DS89C450的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3分別對(duì)應(yīng)TMS、TD-I、TDO、TCK的功能；而P1．4、P1．5、P1．6、P1．7通過譯碼器74HC138構(gòu)造片選邏輯。當(dāng)P1．7為低電平時(shí)，譯碼器74HC138所有的輸出引腳／Y0～／Y7均為高電平，所有74AHCT245的／0E腳均為高，因此，所有的JTAG接口均未選中，這時(shí)，它們都可以通過Xilinx Impact軟件進(jìn)行操作。這個(gè)狀態(tài)作為系統(tǒng)上電之后的默認(rèn)狀態(tài)。圖4作為示意圖，只畫出了2個(gè)JTAG接口，而最多可以連接8個(gè)JTAG接口。

    當(dāng)需要對(duì)某個(gè)JTAG連接的Platform Flash PROM編程時(shí)，上位機(jī)通過串口向DS89C450發(fā)出命令，DS89C450收到正確的命令之后，打開譯碼器的G1門，對(duì)8個(gè)JTAG接口進(jìn)行掃描，將掃描到的IDCODE上報(bào)上位機(jī)，空的JTAG接口將掃描到全“1”碼；然后，上位機(jī)送出需更新代碼的板卡地址，DS89C450根據(jù)這個(gè)地址選擇指定的JTAG接口(即選擇了需要更新代碼的PlatformFlash PROM)，自動(dòng)升級(jí)也就開始了。升級(jí)結(jié)束，關(guān)閉譯碼器的G1門，回到默認(rèn)狀態(tài)。
    一般情況下，具體到某一塊板卡，其上的JTAG插針，是將Platform Flash PROM的JTAG和FPGA的JTAG串聯(lián)起來的菊花鏈結(jié)構(gòu)。例如，插針的TDI→(TDI，TDO)→(TDI，TDO)→插針的TDO，用括號(hào)內(nèi)的表示XCF01S或FPGA。因此，在圖4中的JTAG接口指的是JTAG插針，而非某個(gè)具體器件的JTAG口?；谶@一點(diǎn)，DS89C450要實(shí)現(xiàn)對(duì)Platform Flash PROM的操作，需要將菊花鏈中的FPGA旁路(bypass)。
    要對(duì)Platform Flash PROM的內(nèi)容進(jìn)行更新，上位機(jī)需將新文件(bin格式)按照一定長度的字節(jié)數(shù)分批次送給DS89C450，DS89C450將本次收到的定長數(shù)據(jù)寫入Platform Flash PROM，寫完之后，準(zhǔn)備接收下一幀，依此往復(fù)，直到將新文件處理完。
    對(duì)于XCF01S，其扇區(qū)大小為256字節(jié)，下面以每次傳輸256個(gè)字節(jié)為例，圖5給出了操作Platform Flash PROM的指令及編程流程。表1為操作Platform FlashPROM的指令。

結(jié)語
    本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是低成本、高性能、高靈活性。低成本體現(xiàn)在硬件上，用到的器件少，節(jié)省電路板空間；DS89C450是一款高性能的單片機(jī)，速度快，工作穩(wěn)定；高靈活性體現(xiàn)在2個(gè)更新——一是可通過IAP程序更新DS89C450內(nèi)部高32 KB區(qū)的用戶程序，二是可通過DS89CA50內(nèi)部高32 KB區(qū)的用戶程序來更新Platform Flash PROM內(nèi)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，多片Platform Flash PROM的更新實(shí)現(xiàn)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)的更新維護(hù)將十分方便。