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(guò)使能,可以激活其內(nèi)部的1KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,來(lái)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:
?、貲S89C450的在應(yīng)用編程(IAP)。通過(guò)使用IAP,單片機(jī)用戶(hù)代碼的更新和修改將十分方便。
?、谑鼓蹹S89C450內(nèi)部1KB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(wú)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(wèn)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(lái)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(lái)與上位機(jī)通信。
?、懿捎脜R編語(yǔ)言開(kāi)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(wèn),這個(gè)空間將存放用戶(hù)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(xiě)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(guò)燒錄器燒寫(xiě)進(jìn)去的。
IAP程序?qū)⑼ㄟ^(guò)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(hù)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(hù)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(xiě)入高32 KB區(qū);新代碼文件全部寫(xiě)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(guò)讀寫(xiě)2個(gè)特殊功能寄存器來(lái)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(wú)論是在IAP程序更新高32 KB區(qū)的用戶(hù)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(yǔ)言開(kāi)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(lái)激活。將DME0位(PMR.0)置1激活它,激活之后采用MOVX指令訪問(wèn),相比訪問(wèn)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(jiǎn)要介紹JTFAG接口的工作原理。
JTAG又稱(chēng)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(guò)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T(mén)AP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(guò)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(guò)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(guò)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(huà)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(guò)串口向DS89C450發(fā)出命令,DS89C450收到正確的命令之后,打開(kāi)譯碼器的G1門(mén),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(kāi)始了。升級(jí)結(jié)束,關(guān)閉譯碼器的G1門(mén),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(lái)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(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)分批次送給DS89C450,DS89C450將本次收到的定長(zhǎng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入Platform Flash PROM,寫(xiě)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(yǔ)
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(guò)IAP程序更新DS89C450內(nèi)部高32 KB區(qū)的用戶(hù)程序,二是可通過(guò)DS89CA50內(nèi)部高32 KB區(qū)的用戶(hù)程序來(lái)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。