摘要：使用DS89C450型單片機的I／O口實現(xiàn)JTAG通信協(xié)議，再用部分I／O口構造片選邏輯，來對一個系統(tǒng)中多片Xilinx Platform Flash PROM進行在系統(tǒng)編程(ISP)，以此來更新對應的FPGA的配置數(shù)據(jù)。同時，DS89C450通過在應用編程(IAP)來更新用戶代碼。將硬件電路設計在背板上，實現(xiàn)插板式機箱結構，方便系統(tǒng)升級。
關鍵詞：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)代電子設計中，在一個系統(tǒng)中往往會用1片以上的可編程邏輯器件。作為最大的供應商之一，Xilinx公司的器件獲得了廣泛的應用。基于查找表技術的FPGA在應用時需要外置一個非易失性存儲器來存儲配置數(shù)據(jù)。如何方便靈活地對一個系統(tǒng)中多片F(xiàn)PGA的配置數(shù)據(jù)進行升級是本文討論的問題。

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型單片機是一款超高速的高性能單片機，其顯著特點是速度快，一個機器周期只需要一個時鐘周期；通過使能，可以激活其內部的1 KB數(shù)據(jù)存儲器，來作為數(shù)據(jù)緩存；同時它具有64KB的內部程序存儲器，支持ISP、IAP。
    本設計主要實現(xiàn)的功能是：
    ①DS89C450的在應用編程(IAP)。通過使用IAP，單片機用戶代碼的更新和修改將十分方便。
    ②使能DS89C450內部1 KB數(shù)據(jù)存儲器，在對Platform Flash PROM編程時，作為數(shù)據(jù)緩存，這樣將無需在片外擴展數(shù)據(jù)存儲器，從而減小了電路板面積，同時提高了訪問速度，節(jié)省成本。
    ③用DS89C450的P1口的4根線模擬JTAG的時序邏輯，實現(xiàn)與Platform Flash PROM的通信；余下的4根線用來構造片選邏輯，將整個電路設計在背板上，將串口引出到設備面板來與上位機通信。
    ④采用匯編語言開發(fā)，使iMPACT下載和單片機下載互不沖突，方便實現(xiàn)插板式機箱結構。
    該設計在設備調試、遠程維護、功能擴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的實現(xiàn)
    DS89C450內部集成了64 KB的Flash程序存儲器，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，這個空間將存放用戶代碼。DS89C450內部有一個存儲器管理單元(MMU)，它實際上就是一個狀態(tài)機，獨立于處理器核心而存在，只需向相應的特殊功能寄存器中寫入命令、地址、數(shù)據(jù)等，將啟動MMU，實現(xiàn)對高32 KB區(qū)的擦除、編程、校驗以及系統(tǒng)復位。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去的。
    IAP程序將通過串口和上位機通信，在系統(tǒng)上電后，上位機發(fā)出是否要更新高32 KB區(qū)代碼的命令，若不更新，則IAP程序立即跳轉至8000H處取指令，執(zhí)行高32 KB區(qū)的用戶代碼；若上位機發(fā)出了更新高32KB區(qū)代碼的命令，IAP程序將進入工作狀態(tài)，它將首先擦除高32 KB區(qū)，然后準備接收新的用戶代碼(即對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，由上位機發(fā)出校驗命令，IAP程序將高32 KB區(qū)按字節(jié)讀出，并計算出累加和，作為校驗和回送上位機。
    上述所有操作都是通過讀寫2個特殊功能寄存器來實現(xiàn)的，這2個寄存器是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)存儲器的使用
    無論是在IAP程序更新高32 KB區(qū)的用戶代碼時，還是在刷新Platform Flash PROM內的配置數(shù)據(jù)時，在DS89C450和上位機之間都會有大量的數(shù)據(jù)傳遞。DS89C450內部集成了1 KB的數(shù)據(jù)存儲器，它將用作數(shù)據(jù)的緩存，因此不需要再擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。同時，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)存儲器在默認情況下是不可用的，需要設置相應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，相比訪問外部擴展的數(shù)據(jù)存儲器速度更快。

4 DS89C450與Xilinx Platform Flash PROM
    結合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的通信標準，它含有一個TAP控制器，也就是一個狀態(tài)機。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——輸入時鐘，為TAP控制器的輸入和輸出提供時序控制。
    TAP控制器含有1個指令寄存器和若干數(shù)據(jù)寄存器(數(shù)據(jù)掃描鏈)，對于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，使狀態(tài)機按照圖3所示的轉換圖處于某一狀態(tài)下，送入特定的指令，TAP控制器對指令進行譯碼，譯碼結果將產生相關動作，例如選擇一條數(shù)據(jù)掃描鏈準備接收數(shù)據(jù)，或捕獲功能引腳信號到數(shù)據(jù)寄存器等。
    本設計中，硬件連接圖如圖4所示，每個JTAG接口都與一片74AHCT245相連，DS89C450的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3分別對應TMS、TD-I、TDO、TCK的功能；而P1．4、P1．5、P1．6、P1．7通過譯碼器74HC138構造片選邏輯。當P1．7為低電平時，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，它們都可以通過Xilinx Impact軟件進行操作。這個狀態(tài)作為系統(tǒng)上電之后的默認狀態(tài)。圖4作為示意圖，只畫出了2個JTAG接口，而最多可以連接8個JTAG接口。

    當需要對某個JTAG連接的Platform Flash PROM編程時，上位機通過串口向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8個JTAG接口進行掃描，將掃描到的IDCODE上報上位機，空的JTAG接口將掃描到全“1”碼；然后，上位機送出需更新代碼的板卡地址，DS89C450根據(jù)這個地址選擇指定的JTAG接口(即選擇了需要更新代碼的PlatformFlash PROM)，自動升級也就開始了。升級結束，關閉譯碼器的G1門，回到默認狀態(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)起來的菊花鏈結構。例如，插針的TDI→(TDI，TDO)→(TDI，TDO)→插針的TDO，用括號內的表示XCF01S或FPGA。因此，在圖4中的JTAG接口指的是JTAG插針，而非某個具體器件的JTAG口。基于這一點，DS89C450要實現(xiàn)對Platform Flash PROM的操作，需要將菊花鏈中的FPGA旁路(bypass)。
    要對Platform Flash PROM的內容進行更新，上位機需將新文件(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，準備接收下一幀，依此往復，直到將新文件處理完。
    對于XCF01S，其扇區(qū)大小為256字節(jié)，下面以每次傳輸256個字節(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。

結語
    本設計的優(yōu)點是低成本、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，速度快，工作穩(wěn)定；高靈活性體現(xiàn)在2個更新——一是可通過IAP程序更新DS89C450內部高32 KB區(qū)的用戶程序，二是可通過DS89CA50內部高32 KB區(qū)的用戶程序來更新Platform Flash PROM內的數(shù)據(jù)。同時，多片Platform Flash PROM的更新實現(xiàn)。這樣，整個系統(tǒng)的更新維護將十分方便。