一般而言，在線編程ISP(In System Programming)是指依靠某種外部工具(除了常規(guī)的并行編程器以外)直接給處理器內(nèi)部集成的程序存儲器編程[1-2]。隨著片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)計的流行,IP核復(fù)用逐漸成為研究的重點[3-4]。為SoC配置在線編程IP核，將極大方便系統(tǒng)的調(diào)試與運行。MV10微處理器是本課題組自主開發(fā),擁有完全知識產(chǎn)權(quán)的專用集成電路芯片[5],它適用于汽車電子領(lǐng)域，主要用于汽車車身的控制。該芯片具有INTEL8051指令架構(gòu)內(nèi)核，并且嵌入了PWM、ADC、CAN等IP核,具有數(shù)模混合功能的SoC系統(tǒng)。本文以MV10片上系統(tǒng)為目標對象，給出了一種在線編程的IP核實現(xiàn)方案。

1 MV10微處理器
    MV10微處理器已通過硅驗證，使用GLOBAL FOUNDRY公司的0.35 μm、2層多晶硅、4層金屬混合信號工藝，3.3 V電源，運行頻率可達24 MHz，具有64 KB存儲器尋址空間，8 KB×8片內(nèi)OTP程序存儲空間，256 B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，內(nèi)置4個模擬量輸入的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，1個單獨的UART通信模塊，5個16位的定時器計數(shù)器，11個兩級優(yōu)先級中斷源，支持睡眠空閑模式，復(fù)位可從睡眠模式中喚醒芯片，采用DIP52封裝。
2 在線編程IP核設(shè)計
    MV10片上系統(tǒng)嵌入在線編程IP核，上位機通過串口對其片上SRAM進行程序燒寫，使MV10具有在線調(diào)試、編程的功能，圖1為在線編程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2.1 頂層設(shè)計
    在線編程IP核包含了時序控制模塊、位流接收模塊、位流發(fā)送模塊及SRAM接口管理模塊。圖1中，pc_data_in是一個接收上位機數(shù)據(jù)的串行端口，pc_data_out是一個向上位機返回數(shù)據(jù)幀驗證信息的串行端口。通過Start口切換MV10的狀態(tài)(0為程序燒寫模式，1為正常工作模式)。
2．2 時序控制模塊
    時序控制模塊采用了兩級同步、逐幀校正及中間采樣三種方法，保證了數(shù)據(jù)采樣的高精確性。
    如圖2所示，上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)流pc_data_in經(jīng)過兩級同步產(chǎn)生了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流pc_data_in_reg，有效地避免了亞穩(wěn)態(tài)的傳播。第三級同步產(chǎn)生的pc_data_in_reg_reg信號用以檢測數(shù)據(jù)幀起始位。

2．3 位流接收模塊
　在線編程模塊中設(shè)定的數(shù)據(jù)幀格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位校驗位與1位停止位。
   位流接收模塊的主要功能：
　(1)根據(jù)數(shù)據(jù)幀的打包格式對時序控制模塊采樣到的位流進行解包，提取每一幀中的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部寄存器，再由SRAM接口管理模塊將其寫入片上SRAM。
　(2) 對每一幀數(shù)據(jù)進行奇校驗與幀校驗，產(chǎn)生校驗標志。
　錯誤檢驗機制RTL實現(xiàn)：
　    If(bit_cnt==4’d11)
　　        error<=(parity_error|frame_error)
　    else
　　　    error<=1&rsquo;b0;
其中bit_cnt是數(shù)據(jù)流位計數(shù)器，當檢測到數(shù)據(jù)起始位時從&ldquo;0&rdquo;開始計數(shù)，一幀數(shù)據(jù)從&ldquo;0&rdquo;計到&ldquo;10&rdquo;，&ldquo;11&rdquo;時返回錯誤標志，即寫入一幀數(shù)據(jù)實際需要12個采樣周期。parity_error為奇校驗錯誤標志，&ldquo;1&rdquo;表示有奇校驗錯誤；frame_error為幀錯誤校驗標志，&ldquo;1&rdquo;表示有幀錯誤；error是總校驗標志，&ldquo;1&rdquo;表示此幀數(shù)據(jù)錯誤，使發(fā)送數(shù)據(jù)模塊向上位機發(fā)送00H，SRAM接口管理模塊在檢測到error信號為&ldquo;1&rdquo;時地址位不增加。
2．4 位流發(fā)送模塊
    位流發(fā)送模塊的主要功能：
　(1)MV10上電或者復(fù)位后，該模塊自動向上位機發(fā)送55H以檢測MV10與上位機之間的通信是否正常。如上位機顯示55H，即表示下位機已準備好接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果無法顯示55H，則需要檢查上位機是否配置正確、下位機是否切換到程序燒寫模式以及它們之間的連接是否正確。
    (2)位流接收模塊接收到一幀數(shù)據(jù)后,會對該幀數(shù)據(jù)進行校驗，并發(fā)送校驗標志。位流發(fā)送模塊根據(jù)校驗標志作出判斷,若校驗正確，則向上位機發(fā)送FFH，否則發(fā)送00H。
2．5 SRAM接口管理模塊
     參考Memory Compiler生成的RA_512x8模型設(shè)計SRAM寫操作時序。其中addr[8:0]為9位地址信號，CEB為片選信號（低電平有效），WEB為讀寫選擇信號（高讀低寫），data_final[7:0]為8位數(shù)據(jù)信號。如圖4所示。

    當MV10模式開關(guān)Start為&ldquo;0&rdquo;時，MV10工作在編程模式，此時SRAM片選信號與寫使能信號有效，將校驗正確的一幀數(shù)據(jù)寫入SRAM，地址自動加&ldquo;1&rdquo;（地址初始化或復(fù)位后為00H）。如數(shù)據(jù)校驗錯誤，則數(shù)據(jù)不會被寫入SRAM，地址位保持不變。
    當MV10模式開關(guān)Start為&ldquo;1&rdquo;時，MV10工作在運行模式，此時SRAM片選信號與寫使能信號無效，即使數(shù)據(jù)接收模塊正確接收到數(shù)據(jù)，也不會寫入到SRAM中。
3 上位機軟件設(shè)計
3.1 MV_IDE概述
    上海大學MV系列MCU匯編程序開發(fā)軟件[6]使用Windows平臺應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境：Visual Studio 2010進行開發(fā)，采用C++語言作為主要開發(fā)語言。上海大學MV系列MCU匯編程序開發(fā)軟件作為MV系列微控制器（MCU）的開發(fā)匯編程序開發(fā)平臺,設(shè)計了基于INTEL8051指令的匯編程序編輯器和編譯器，并針對新一代MV系列MCU中的在線編程模塊，設(shè)計了相應(yīng)的程序燒寫功能，可將編譯后的機器碼燒寫到MV10內(nèi)部的程序SRAM中。
3.2 燒寫功能程序設(shè)計
   上位機程序中的燒寫功能可以將MV_IDE編譯后產(chǎn)生的BIN文件通過串口發(fā)送給MV10，MV_IDE根據(jù)在線編程模塊的校驗返回標志決定發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)或者重新發(fā)送當前數(shù)據(jù)幀。
    選擇主界面的燒寫按鍵打開燒寫界面，在燒寫文件選框選擇需要燒寫的BIN文件。由于BIN文件是特殊的二進制格式文件，所以在點擊燒寫文件確定后MV_IDE會讀取BIN文件并將其轉(zhuǎn)化為16進制單字節(jié)的形式，并在工程目錄下保持為bin.txt文本文件，便于以單字節(jié)進行發(fā)送。
    在燒寫界面中，&ldquo;串口號&rdquo;用于選擇PC機的串口，&ldquo;串口設(shè)置&rdquo;第一位設(shè)置波特率；第二位設(shè)置校驗位，N表示沒有校驗位，O表示奇校驗，E表示偶校驗；第三位設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)；最后一位設(shè)置停止位數(shù)。實際燒寫時選擇9600,O,8,2。串口配置界面如圖5所示。

4.2 板級驗證

    對包含在線編程IP核的芯片進行板級測試，將事先經(jīng)過片外EEPROM驗證的項目程序通過上位機寫入目標板，均可實現(xiàn)相應(yīng)的功能，目標測試板界面如圖7所示。

    本文提出的在線編程模塊IP核具有高采樣精度并帶有錯誤檢測校正機制，是一種簡易可靠的在線程序調(diào)試實現(xiàn)方法。該IP核通過了Modelsim仿真、FPGA驗證及芯片板級驗證，并已應(yīng)用在MV10的程序開發(fā)中。本文給出的在線編程IP核的方法，雖然是基于MV10片上系統(tǒng)提出的，但亦可用于其他片上系統(tǒng)。
參考文獻
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[6] 上海大學.MCU匯編程序開發(fā)平臺軟件（MV_IDE）V1.0用戶手冊[M].2012.