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利用单片机实现CPLD的在系统编程

一、问题的提出
  嵌入式系统而灵活性的要求。一方面,应用环境会对嵌入式系统不断提出新的要求,需要更改最初的设计;另一方面指生产多个品种时希望尽量能在单一的硬件平台上实现。为了最大限度地满足灵活性的需要,嵌入式系统一般都设计而可编程逻辑器件CPLD。在设计阶段和现场运行之后的各个阶段,都可能会遇到设计的升级、修改和测试问题。FLASH的使用方便了程序的更新;带而在系统可编程(ISP)功能的可编程逻辑器件,使得不需重新设计印制板就可以改变原而的设计;网络技术的发展,又使得远程维护成为可能。
  笔者设计的嵌入式系统,实现了远程维护。其中CPLD采用了XILINX公司的XC9500系列。

二、JTAG简介
  JTAG简介
  JTAG是IEEE的联合测试行动小组(Joint Test Action Group)所制定的测试标准(IEEE1149.1-1990),使得用户可以测试器件的逻辑和相互之间的连接。目前,它是国际上最流行的ICE技术,众多的芯片厂家都在自己的产品中加入JTAG口,以便用户调试。
  XILINX的XC9500系列CPLD采用了JTAG的编程和测试指令。XC9500系列CPLD带而测试访问口TAP(Test Access Port),包括4个引脚:
    *TDI-测试数据输入;
    *TDO-测试数据输出;
    *TCK-测试口同步时钟;
    *TMS-测试模式选择。
  当用基于PC机的编程软件对CPLD进行编程时,PC机的并口经转换板与目标器件的TAP接口相连,完成编程工作。
  在本设计上,将MCU的I/O口与CPLD的TAP接口相连,利用MCU的I/O口模拟JTAG测试口的行为,实现对PLD的编程。

三、SVF与XSVF
  SVF (Serial Vector Format)格式由TI公司和Teradyne公司于1991年联合开发完成。SVF文件是一个ASCII码文件,用于描述基于IEEE.1119.1 标准的测试模式,包括激励、预期响应和屏蔽数据。开发SVF的初衷就是获得一种独立于供应商的IEEE1149.1标准的测试模式,它能够在各个仿真软件和测试仪器厂商之间进行数据交换,可以应用于从设计验证现场诊断各个阶段。
  SVF文件中包含了编程所需要的命令及相应的数据。SVF文件由一系列SVF语句组成。语句以分号结束。每一个语句由一个命令和相关的参数组成。命令分为三类:状态命令、偏移命令和并行命令。其中状态命令说明测试序列如何驱动IEEE1149.1TAP的状态机,包括:
    *SDR-扫描数据寄存器;
    *SIR-扫描指令寄存器;
    *ENDDR-数据寄存器扫描结束;
    *ENDIR-指令寄存器扫描结束;
    *RUNTEST-进入测试/空闲状态;
    *STATE-进入特定状态;
    *TRST-驱动TRST为特定电平。
  XILINX 的CPLD通过自身的TAP接口接受SVF格式的编程指令和JTAG边界扫描指令。事实上,XILINX提供的JTAGProgrammer编程软件能够自动将标准的JEDEC/BIT格式的编程文件转换为SVF格式;但是SVF文件格式为ASCII码,需要较大的存储空间,并不适合直接用于嵌入式系统。为此,需要一种结构更为紧凑的数据格式-XSVF。
  XSVF用与SVF类似的方法描述IEEE1149.1总线的操作。SXVF与SVF的最大区别在于它能获得更大的数据压缩率,从而得到较小的文件。它是二进制格式的。
  SVF转换为XSVF可以利用XILINX公司的软件SVF2XSVF.EXE来实现。

四、实现过程
   第一步,利用XILINX提供的工具,用原理图或HDL语言设计所需的逻辑,然后进行综合。
   第二步,将编程文件输出为标准的JEDEC文件(*.jed)。
   第三步,顺JTAGProgrammer环境下,将编程文件进一步转换为SVF文件。
   第四步,利用VSF2XSVF软件,将SVF转换为XSVF。
   第五步,将二进制的XSVF转换为MCU可接受的相应格式。本设计中采用Intel公司16位单片机,所以生成Intel Hex格式文件。
  当需要更新逻辑时,MCU从网络总线上获得更新后的XSVF文件(Intel Hex格式),暂存于RAM空间,然后读取XSVF文件命令,逐条解释,并予以执行,即通过I/O口模拟JTAG的TAP口操作,产生编程指令、数据和控制信号,完成对CPLD的擦除、编程、校验、读写保护设置等项工作。

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