使用嵌入式處理器對(duì)可編程邏輯器件重編程

　　1 引言

　　在嵌入式系統(tǒng)里除了嵌入式處理器外還會(huì)經(jīng)常使用到可編程邏輯器件，有些可編程邏輯器件在被焊接到印制電路板上之后還可以對(duì)其程序進(jìn)行更新，這種特性稱之為“在系統(tǒng)可重編程能力”（In SystemReprogrammability，ISR）。在單板開(kāi)發(fā)階段，通常使用下載電纜通過(guò)IEEE Standard 1149.1 JTAG接口對(duì)可編程邏輯器件重編程。在產(chǎn)品原型及制造階段，單板上的JTAG接口很可能出于產(chǎn)品外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮已經(jīng)無(wú)法與下載電纜相連接，此時(shí)將無(wú)法通過(guò)下載電纜對(duì)可編程邏輯器件重編程?；谇度胧较到y(tǒng)的產(chǎn)品通常對(duì)外提供串行接口或以太網(wǎng)接口，這些接口由嵌入式處理器來(lái)控制[1] ，因此可以通過(guò)這些接口將可編程邏輯器件的更新程序發(fā)送到處理器，由處理器對(duì)可編程邏輯器件重編程。

　　2 實(shí)現(xiàn)方法

　　2.1 軟件方面

　　串行接口由于協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、占用資源少而被嵌入式系統(tǒng)廣泛使用，只需要使用串行接口連接線將主機(jī)的串行接口與產(chǎn)品的串行接口相連接，通過(guò)主機(jī)上的串行接口通訊軟件將更新程序發(fā)送給處理器即可，文件傳輸協(xié)議一般采用Xmodem協(xié)議；而對(duì)于基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品而言，由于自身提供以太網(wǎng)接口，而且操作系統(tǒng)內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，因此可以使用以太網(wǎng)接口將更新程序發(fā)送給處理器，文件傳輸協(xié)議一般采用TFTP協(xié)議，嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行TFTP服務(wù)器程序，主機(jī)上運(yùn)行TFTP客戶端程序[2] 。

　　嵌入式處理器通過(guò)串行接口或以太網(wǎng)接口接收到的可編程邏輯器件的更新程序是一種Jam文件，使用類似于Altera公司Quartus II development tool的開(kāi)發(fā)工具根據(jù)Jam標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試語(yǔ)言（Jam Standard Test andProgramming Language 以下簡(jiǎn)稱Jam語(yǔ)言）的要求由Programmer Object File (*.pof，文件后綴名為pof)一類的目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換生成[3] 。Jam文件是一個(gè)ASCII文件，文件中包含了對(duì)可編程邏輯器件進(jìn)行編程的所有信息，包括編程算法和數(shù)據(jù)，詳細(xì)介紹如下：

　?。?）“注解字段”部分存儲(chǔ)了Jam文件的相關(guān)信息，包括可編程邏輯器件的名稱，Jam文件的創(chuàng)建時(shí)間，使用的Jam語(yǔ)言的版本等等。

　?。?）“變量聲明/初始化”部分由編程/校驗(yàn)的數(shù)據(jù)和Jam文件用到的一些變量聲明組成。

　?。?）“算法部分”包含了對(duì)可編程邏輯器件編程需要用到的命令和代碼，包括空白檢查、擦除、編程和校驗(yàn)等等所有可以在可編程邏輯器件上執(zhí)行的功能。在代碼中可以使用分支或循環(huán)結(jié)構(gòu)。

　　嵌入式處理器在接收到Jam文件之后通過(guò)運(yùn)行一個(gè)Jam Player程序來(lái)解析這個(gè)Jam文件，翻譯文件中每一條指令，并對(duì)JTAG端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，從而完成對(duì)ISR可編程邏輯器件程序的更新工作。Jam Player是一個(gè)C語(yǔ)言程序，其main主程序執(zhí)行所有的基本功能，包括對(duì)Jam文件內(nèi)容的解析，指令的翻譯等，這部分內(nèi)容對(duì)于所有的嵌入式系統(tǒng)和Jam文件來(lái)說(shuō)都是一樣的。而Jam Player的I/O功能，包括I/O管腳的尋址、延時(shí)程序、文件的I/O以及操作系統(tǒng)相關(guān)的功能都包含在jamstub.c文件里，通過(guò)修改這個(gè)文件Jam Player可以適用于任何系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)Jam Player接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，jamstub.c能夠從Jam文件取回?cái)?shù)據(jù)，或者從TDO管腳移位讀取數(shù)據(jù)。jamstub.c也能將處理過(guò)的JTAG數(shù)據(jù)發(fā)送到3個(gè)JTAG管腳（TDI、TMS和TCK），將出錯(cuò)消息和相關(guān)信息返回給調(diào)用程序。升級(jí)ISR可編程邏輯器件的程序只需要改變Jam文件。

　　Jam Player通過(guò)一個(gè)jam_jtag_io函數(shù)（int jam_jtag_io(int tms_tdi)）來(lái)控制對(duì)JTAG接口的讀寫操作。每次調(diào)用這個(gè)函數(shù)的時(shí)候，JTAG的TMS和TDI輸出信號(hào)將被設(shè)定為需要的值，而TDO輸入信號(hào)將被采樣，值將被返回，之后TCK時(shí)鐘信號(hào)將產(chǎn)生一個(gè)下降沿。tms_tdi參數(shù)包含3比特信息，分別指示TMS信號(hào)和TDI信號(hào)的狀態(tài)以及是否需要讀取TDO的輸出（如果不需要用到TDO的值則可以跳過(guò)對(duì)TDO的讀取操作）。最低位比特代表TMS的值，第2位比特代表TDI的值，第3位比特指示是否讀取TDO：如果置位，則必須讀取TDO的值，否則不需要。如果TDO為低電平，返回零值，高電平則返回非零值。如果沒(méi)有對(duì)TDO進(jìn)行讀取也將返回零值。

　　2.2 硬件方面

　　嵌入式處理器與JTAG 器件連接的方法有兩種，一種是直接將嵌入式處理器與JTAG 器件連接起來(lái)，這種方法處理器需要有專門四個(gè)管腳用于JTAG 接口，節(jié)省了電路板空間的同時(shí)卻占用了處理器的四個(gè)管腳；另一種方法通過(guò)一個(gè)接口邏輯將JTAG 器件連接到處理器的總線，處理器通過(guò)JTAG 器件對(duì)應(yīng)的地址來(lái)對(duì)其進(jìn)行讀寫操作[4] 。

　　圖1 給出了接口邏輯的一個(gè)范例。當(dāng)接口邏輯收到正確的地址和控制信號(hào)，它將對(duì)TDI、TCK 和TMS信號(hào)進(jìn)行同步，并通過(guò)多路復(fù)用器驅(qū)動(dòng)輸出管腳，下載電纜也可以通過(guò)多路復(fù)用器對(duì)JTAG 鏈進(jìn)行編程或驗(yàn)證[5] 。TDI、TCK 和TMS 信號(hào)的同步通過(guò)嵌入式處理器的時(shí)鐘信號(hào)和寄存器來(lái)完成，TDO 的緩沖區(qū)可以防止總線競(jìng)爭(zhēng)，TDI、TCK 和TMS 的緩沖區(qū)在調(diào)試的時(shí)候還可以用來(lái)讀回寄存器的值。圖中的與門通過(guò)R/W 信號(hào)來(lái)控制執(zhí)行讀或?qū)懖僮?，而AS 和DS 信號(hào)則可以在另一個(gè)級(jí)別上對(duì)電路進(jìn)行選擇和去選擇。

圖1 接口邏輯

　　2.3 內(nèi)存使用情況

　　下面討論使用嵌入式處理器對(duì)可編程邏輯器件重編程時(shí)內(nèi)存的使用情況。為了能夠兼容沒(méi)有內(nèi)存分配服務(wù)的嵌入式處理器，Jam Player 不僅需要程序存儲(chǔ)空間而且需要?jiǎng)討B(tài)內(nèi)存。程序存儲(chǔ)空間（如硬盤驅(qū)動(dòng)器或ROM）用于存儲(chǔ)Jam Player 可執(zhí)行二進(jìn)制文件和Jam 文件；動(dòng)態(tài)內(nèi)存（如RAM）將在調(diào)用Jam Player的時(shí)候使用。

　　Jam Player 按照下面的步驟來(lái)使用內(nèi)存：

　?。?）嵌入式處理器從ROM 中調(diào)用Jam Player；

　?。?）Jam Player 從ROM 中讀取Jam 文件，然后把它存入RAM；

　　（3）Jam Player 對(duì)Jam 文件中包含的壓縮程序數(shù)據(jù)解壓，并將解壓后的數(shù)據(jù)存入RAM；

　　（4）Jam Player 在RAM 中初始化符號(hào)表（symbol table）、堆棧（stack）和堆（heap）。

　　符號(hào)表包含Jam 文件的標(biāo)記（labels）和變量（variables）；堆棧用于FOR 循環(huán)，CALL 和PUSH 語(yǔ)句；堆作為臨時(shí)內(nèi)存用于數(shù)學(xué)表達(dá)式的求值以及填充數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在處理Jam 文件時(shí)每碰到一個(gè)命令堆棧和堆大小都將增加，可用動(dòng)態(tài)內(nèi)存越來(lái)越少，而Jam 文件、解壓縮后的數(shù)據(jù)以及符號(hào)表需要的動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間在整個(gè)過(guò)程中則保持不變。

　　Jam Player 的內(nèi)存使用情況如圖2 所示。

圖2 Jam Player 的內(nèi)存使用情況

　　2.3.1 程序存儲(chǔ)空間（ROM）使用情況

　　所需程序存儲(chǔ)空間為：

Jam Player的大小由使用的嵌入式處理器以及接口邏輯的復(fù)雜度決定，Jam文件總的程序存儲(chǔ)空間由JTAG鏈上正在被編程的器件數(shù)量決定。如果JTAG鏈上只有一個(gè)器件，該器件對(duì)應(yīng)Jam文件的大小即為所需程序存儲(chǔ)空間的大小。Jam文件的大小還取決于目標(biāo)器件，在壓縮后一般在26K字節(jié)到30K字節(jié)。假設(shè)JTAG鏈中有3個(gè)器件，所有3個(gè)器件都將要編程，所需Jam文件存儲(chǔ)空間將為3個(gè)Jam文件大小的總和。表1給出了單器件所需要程序存儲(chǔ)空間的情況。

表1 單器件需要的程序存儲(chǔ)空間

　　2.3.2 動(dòng)態(tài)內(nèi)存（RAM）的使用情況

　　所需RAM 空間為：

Jam 文件需要的RAM 空間與ROM 空間大小一樣，在程序存儲(chǔ)空間使用情況里已經(jīng)討論過(guò)了。在Jam Player從ROM 讀出Jam 文件存儲(chǔ)到RAM 之后，Jam Player 對(duì)Jam 文件里的壓縮數(shù)據(jù)解壓并將解壓后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM。解壓后的數(shù)據(jù)占用RAM 空間的大小可以通過(guò)Jam 文件里的ACA 變量來(lái)得到。每個(gè)ACA 變量都在“變量聲明/初始化”部分列出，每個(gè)數(shù)組的大小由變量聲明方括號(hào)里的數(shù)值決定。例如：

說(shuō)明解壓后的ACA變量大小為434460比特，也就是大約53K字節(jié)。

　　符號(hào)表的大小由下式給出：

一個(gè)變量或標(biāo)記名稱的大小為48字節(jié)，JAM_C_MAX_SYMBOL_COUNT在jamdefs.h文件里定義，默認(rèn)值為1021。實(shí)際上大多數(shù)Jam文件最多使用400個(gè)變量和標(biāo)記名稱。將JAM_C_MAX_SYMBOL_COUNT修改為400能節(jié)省一部分動(dòng)態(tài)內(nèi)存，

　　相比較Jam Player使用的總RAM空間大小而言堆棧和堆需要很少的RAM，jamdefs.h文件里的JAMC_MAX_NESTING_DEPTH常量定義堆棧的最大深度。表2給出了單器件所需要RAM空間的情況。

表2 單器件需要的RAM 空間

　　3 結(jié)論

　　本文通過(guò)軟件、硬件以及內(nèi)存的使用情況等方面的介紹，詳細(xì)描述了一種通過(guò)嵌入式處理器使用Jam編程與測(cè)試語(yǔ)言對(duì)ISR器件重編程的新方法，為在產(chǎn)品原型及制造階段對(duì)可編程邏輯器件重編程提供了參考，具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：由于在產(chǎn)品原型及制造階段，單板上的JTAG接口很可能出于產(chǎn)品外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮已經(jīng)無(wú)法與下載電纜相連接，此時(shí)將無(wú)法通過(guò)下載電纜對(duì)可編程邏輯器件重編程。而通過(guò)串行接口或以太網(wǎng)接口將可編程邏輯器件的更新程序發(fā)送到處理器，由處理器對(duì)可編程邏輯器件重編程，解決了這個(gè)難題。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 杜延,劉從越.嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件測(cè)試實(shí)踐[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,4-2：86-88.

　　[2] Kamal,Raj.嵌入式系統(tǒng)：體系結(jié)構(gòu)、編程設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社,2005.

　　[3] 鄭亞民,董曉舟.可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)軟件QuartusII[M].國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

　　[4] Stuart,R.Ball.嵌入式微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例（第三版）[M].電子工業(yè)出版社,2004.

　　[5] 田澤.嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005.