基于DSP的嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中CPLD器件軟件更新的實(shí)現(xiàn)

0 引言

在現(xiàn)代導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)朝著微型化發(fā)展的過程中，采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器和可編程邏輯器件方案實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有著很高的性能優(yōu)勢(shì)。在本課題組研制的基于浮點(diǎn)型DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)結(jié)構(gòu)的嵌入式微型導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，DSP負(fù)責(zé)導(dǎo)航解算任務(wù)，CPLD用來(lái)輔助DSP對(duì)外圍通信接口芯片進(jìn)行控制，以減少DSP的控制任務(wù)，使其更專注于導(dǎo)航任務(wù)的解算。采用CPLD可以提高導(dǎo)航計(jì)算機(jī)控制和配置的靈活性，便于系統(tǒng)的升級(jí)和更新，使接口配置更靈活，適合于不同的傳感器和便于應(yīng)用于采用多傳感器信息融合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，充分發(fā)揮DSP的計(jì)算能力，提高導(dǎo)航性能。此嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中CPLD采用的是Xilinx公司的XC95144，該器件支持在系統(tǒng)編程(In System Programming)和擴(kuò)展的IEEEStd 1149．1 JTAG邊界掃描測(cè)試規(guī)范。JTAG標(biāo)準(zhǔn)作為一個(gè)測(cè)試規(guī)范，已被多數(shù)可編程邏輯器件采用。對(duì)于該芯片的一般編程方法是，通過Xilinx公司提供的下載線纜將PC機(jī)并口轉(zhuǎn)接至其JTAG端口，使用PC機(jī)下載軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)其軟件更新。由于JTAG口的信號(hào)特點(diǎn)，下載線纜不能太長(zhǎng)，否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真；此外，在系統(tǒng)投入使用后，如果需要對(duì)軟件進(jìn)行更新升級(jí)，采用這種線纜方式必須將系統(tǒng)的外殼打開，不便于系統(tǒng)的維護(hù)更新。本文通過對(duì)JTAG接口特性的研究，提出了一種采用UART串行通信進(jìn)行軟件更新的方案，對(duì)基于DSP接口控制的CPLD器件實(shí)現(xiàn)了軟件更新，使采用JTAG口進(jìn)行編程的PLD器件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端更新和升級(jí)。

1 JTAG接口原理

JTAG是IEEE的聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組(Joint TestAction Group)提出的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)最初是用來(lái)解決因芯片集成度和板級(jí)器件密度越來(lái)越高帶來(lái)的測(cè)試問題。現(xiàn)在這一標(biāo)準(zhǔn)已被大多數(shù)器件廠商采用并設(shè)計(jì)到芯片電路中，用以支持其器件在系統(tǒng)調(diào)試或編程功能。對(duì)于本文所用的CPLD器件，其JTAG接口的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

JTAG標(biāo)準(zhǔn)定義了4個(gè)基本單元：測(cè)試訪問端口TAP(Test Access Port)、數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器和TAP控制器。TAP端口包含了4個(gè)JTAG信號(hào)：測(cè)試時(shí)鐘輸入引腳TCK，測(cè)試數(shù)據(jù)輸入引腳TDI，測(cè)試數(shù)據(jù)輸出引腳TDO和測(cè)試模式選擇引腳TMS。數(shù)據(jù)寄存器主要包含2種：BYPASS寄存器和BSR(Botlndary Scan Register)寄存器，其中BSR由BSC(Botmdary Scan Cell)串聯(lián)而成，正是通過BSC掃描鏈電路，來(lái)自于TDI上的CPLD配置信息便可移入到芯片內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的擦除與編程功能。TAP控制器其實(shí)是一個(gè)包含16個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，它控制著測(cè)試訪問口、指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。TAP控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

TAP控制器的狀態(tài)由TMS和TCK兩信號(hào)控制。當(dāng)需要將TDI上的數(shù)據(jù)移到指令寄存器中時(shí)，可使TAP控制器進(jìn)入Shift-IR狀態(tài)；當(dāng)需要將TDI上的數(shù)據(jù)移到數(shù)據(jù)寄存器中時(shí)，可使其進(jìn)入Shift-DR狀態(tài)。通過TAP控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可將CPLD的配置信息移入到其內(nèi)部邏輯中。

在基于PC的編程方法中，CPLD的配置信息文件存儲(chǔ)在PC里，在PC中運(yùn)行的下載軟件不斷讀取器件的配置信息，并通過其并行接口模擬JTAG測(cè)試端口的時(shí)序和邏輯，從而實(shí)現(xiàn)其軟件更新和下載。本文將采用導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)這種編程方法：CPLD的配置文件通過DSP的UART串行口發(fā)送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，然后由DSP解析并執(zhí)行配置文件中的指令，通過DSP的I／O口模擬JTAG端口信號(hào)行為，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CPLD器件軟件更新的功能?；谶@種方案可以實(shí)現(xiàn)采用普通的串行口方便地對(duì)CPLD進(jìn)行遠(yuǎn)端編程和更新。

2 CPLD的JTAG接口編程的硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)本文提出的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中基于DSP的CPLD器件軟件更新串行方案，首先需要在硬件方面解決如下3個(gè)問題：

(1)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所用DSP至少要有4個(gè)空余的I／O口，分別用于模擬CPLD的4個(gè)JTAG信號(hào)時(shí)序信號(hào)。
(2)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須包含支持一個(gè)UART通信接口，用于接收CPLD的配置文件。此UART接口不能由CPLD參與控制，以避免CPLD某次編程失敗后，該UART通信口不再可用的問題。
(3)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)保證足夠的CPLD配置信息文件需要的存儲(chǔ)空間。
本文所用DSP為TI公司的TMS320C6713B芯片，該款DSP支持16個(gè)通用輸入輸出口(GPIO)。在本導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有12個(gè)GPIO口已被占用，多余的4個(gè)GPIO口可用來(lái)連接CPLD的4個(gè)JTAG信號(hào)引腳。

TMS320C6713B本身并不支持包含UART通信接口，其片上外設(shè)中包含2個(gè)多通道緩沖串行接口(McBSP)，McBSP接口支持全雙工串行通信，只是收發(fā)數(shù)據(jù)需要獨(dú)立的收發(fā)幀同步信號(hào)。根據(jù)TI公司提供的應(yīng)用技術(shù)報(bào)告，經(jīng)過對(duì)軟件或硬件進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，McBSP接口可以支持UART通信標(biāo)準(zhǔn)。軟件修改方法是通過將McBSP接口配置成通用I／O接口來(lái)模擬UART時(shí)序；硬件修改方法是將McBSP接口配置在串行口模式，McBSP接口中接收幀同步信號(hào)FSR來(lái)自于UART的發(fā)送數(shù)據(jù)線Tx，在檢測(cè)到Tx的下跳沿時(shí)，McBSP內(nèi)部開始采樣接收數(shù)據(jù)，之后Tx的下跳沿將被忽略直至下一個(gè)字節(jié)的起始位再次觸發(fā)內(nèi)部幀接收新的數(shù)據(jù)；發(fā)送幀同步信號(hào)FSR由McBSP電路在發(fā)送UART數(shù)據(jù)起始位時(shí)產(chǎn)生。本文采用硬件修改和過采樣軟件措施，將一個(gè)多通道緩沖串行接口McBSP0設(shè)計(jì)成了支持UART通信標(biāo)準(zhǔn)的接口。

本導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用的CPLD配置信息文件是串行矢量格式(SVF)，可以在Xilinx軟件開發(fā)平臺(tái)ISE上生成。SVF是一種用來(lái)描述IEEE 1149．1(JTAG)總線操作的規(guī)范，包含了編程需要的指令和數(shù)據(jù)，描述了TAP測(cè)試訪問端口狀態(tài)圖中各狀態(tài)之間的掃描操作過程和行為。由于SVF文件是ASCII格式，所以占用的存儲(chǔ)空間比較大，可以將其轉(zhuǎn)換為一種更簡(jiǎn)潔和緊湊的二進(jìn)制格式：XSVF文件。對(duì)于本系統(tǒng)所用CPLD器件而言，僅對(duì)其進(jìn)行編程操作時(shí)，XSVF文件大小為129 720 B，加上擦除和校驗(yàn)操作后，XSVF文件大小為259 533 B。根據(jù)上述分析，本文設(shè)計(jì)的嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過UART接口對(duì)CPLD器件進(jìn)行在系統(tǒng)軟件更新的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，UART通信口由DSP片上多通道緩沖串行口McBSP0實(shí)現(xiàn)。為了存儲(chǔ)通過UART口接收到的包含CPLD配置信息的XSVF文件，本系統(tǒng)外擴(kuò)了一片512 kB的SRAM。FLASH芯片用來(lái)存儲(chǔ)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)升級(jí)固件和應(yīng)用程序。CPLD的JTAG口直接與DSP空閑的4個(gè)GPIO口相連，為了提高CPLD器件編程的靈活性，在本系統(tǒng)中保留了連接PC機(jī)并口的CPLD程序下載接口。

3 CPLD的JTAG接口編程的軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)通過DSP的GPIO口模擬JTAG信號(hào)時(shí)序邏輯來(lái)對(duì)CPLD進(jìn)行軟件更新，需嚴(yán)格按照J(rèn)TAG標(biāo)準(zhǔn)中的端口信號(hào)時(shí)序要求。對(duì)于本文所用的CPLD器件，其JTAG端口信號(hào)時(shí)序關(guān)系如圖4所示。

由圖4可見，對(duì)于JTAG口時(shí)序邏輯需考慮如下3項(xiàng)內(nèi)容：

(1)JTAG接口要求一個(gè)最小時(shí)鐘周期TCKMIN。
(2)JTAG接口在TCK的上升沿采樣TMS和TDI信號(hào)。因此在TCK上升沿之前，TMS和TDI要具有最小分別為TMSS和TDIS的建立時(shí)間，同時(shí)在TCK下降沿之后要保持最小分別為TMSH和TDIH長(zhǎng)的時(shí)間。
(3)在TCK的下降沿，JTAT接口輸出新的TDO值，并保持至少TDOV長(zhǎng)的時(shí)間。
本文所用CPLD的JTAG端口時(shí)序參數(shù)要求如表1所示。

在本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，DSP的工作主頻為200 MHz，利用TI公司提供的庫(kù)函數(shù)，由該DSP的GPIO口模擬的時(shí)鐘頻率最大不超過3 MHz，可以滿足表中TCKMIN參數(shù)對(duì)應(yīng)的最大10 MHz的要求。對(duì)于建立和保持時(shí)間等參數(shù)要求，可通過軟件延時(shí)或定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。由于在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，DSP在上電期間專注于CPLD的軟件更新，所以本文將采用軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)要求，設(shè)計(jì)的JTAG口信號(hào)電平驅(qū)動(dòng)函數(shù)模塊代碼如下：

利用上述代碼，模擬實(shí)現(xiàn)的JTAG時(shí)鐘信號(hào)頻率為367．6 kHz。

DSP在配置CPLD器件時(shí)，不斷從存儲(chǔ)在SRAM里的XSVF文件中讀出指令和參數(shù)，并根據(jù)不同的指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。根據(jù)功能特點(diǎn)，XSVF文件中的指令主要包括：狀態(tài)轉(zhuǎn)移、指令移入、數(shù)據(jù)移入或移出和空閑等待這4類指令。狀態(tài)轉(zhuǎn)移指令用于控制TAP狀態(tài)機(jī)進(jìn)入與下條XSVF指令操作對(duì)應(yīng)的狀態(tài)中，在XSVF文件中，圖2中的每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)的編碼；指令移入用于將TDI上的指令代碼移入對(duì)應(yīng)的指令寄存器；數(shù)據(jù)移入或移出指令可將TDI上的數(shù)據(jù)移入CPLD器件內(nèi)部邏輯中，同時(shí)可以捕獲從TDO上移出的數(shù)據(jù)；空閑等待指令可提供移進(jìn)CPLD擦出指令或數(shù)據(jù)后等待內(nèi)部邏輯成功響應(yīng)需要的時(shí)間。

在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)通過串行方式的CPLD更新流程如圖5所示。

圖5中系統(tǒng)首先通過DSP的串行口接收CPLD的編程配置文件，接收完配置文件后，可在35 s之內(nèi)完成CPLD的軟件更新。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用本文的更新方案，可根據(jù)需要很快實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)配置方案，如可選擇INS和GPS組合。或與地磁組合等，無(wú)需重新更改硬件，便可配合多種傳感器，克服了通過常用PC機(jī)與下載線纜進(jìn)行軟件更新的弊端，避免了反復(fù)打開、組裝系統(tǒng)等一系列的繁瑣工作，提高了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的效率，從而提高了導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的適應(yīng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過硬件和軟件設(shè)計(jì)，本文實(shí)現(xiàn)了基于DSP的CPLD器件軟件更新的串行方式。目前已在本課題組研制的基于DSP和CPLD的嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行了成功應(yīng)用。該串行口更新方式相對(duì)常用的基于PC并口的編程方法，解決了并口轉(zhuǎn)JTAG口的下載線纜過長(zhǎng)而不能可靠對(duì)CPLD更新的問題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)CPLD器件在系統(tǒng)的遠(yuǎn)端更新，避免了繁瑣的現(xiàn)場(chǎng)拆除板卡進(jìn)行軟件更新和升級(jí)的弊端，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。另外，通過外加網(wǎng)絡(luò)接口，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的軟件更新方案，還可實(shí)現(xiàn)CPLD器件的遠(yuǎn)程更新。本文的設(shè)計(jì)對(duì)于嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的更新和升級(jí)具有較好的適用性，提高了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，可以應(yīng)用到具有不同配置的多種導(dǎo)航系統(tǒng)中，也可以在一種導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通過對(duì)CPLD的不同配置來(lái)適應(yīng)不同的傳感器和接口。