基于DS89C450的Xilinx PROM在系統(tǒng)編程設(shè)計

　　可編程邏輯器件(FPGA、CPLD等)廣泛用于現(xiàn)代電子設(shè)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(yīng)商之一，Xilinx公司的器件獲得了廣泛的應(yīng)用?；诓檎冶砑夹g(shù)的FPGA在應(yīng)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(jìn)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(jī)是一款超高速的高性能單片機(jī)，其顯著特點是速度快，一個機(jī)器周期只需要一個時鐘周期;通過使能，可以激活其內(nèi)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(nèi)部程序存儲器，支持ISP、IAP。

　　本設(shè)計主要實現(xiàn)的功能是：

　　①DS89C450的在應(yīng)用編程(IAP)。通過使用IAP，單片機(jī)用戶代碼的更新和修改將十分方便。

　?、谑鼓?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/DS89C450">DS89C450內(nèi)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(kuò)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。

　?、塾肈S89C450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(gòu)造片選邏輯，將整個電路設(shè)計在背板上，將串口引出到設(shè)備面板來與上位機(jī)通信。

　　④采用匯編語言開發(fā)，使iMPACT下載和單片機(jī)下載互不沖突，方便實現(xiàn)插板式機(jī)箱結(jié)構(gòu)。

　　該設(shè)計在設(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的實現(xiàn)

　　DS89C450內(nèi)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(nèi)部有一個存儲器管理單元(MMU)，它實際上就是一個狀態(tài)機(jī)，獨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(fù)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(jìn)去的。

　　IAP程序?qū)⑼ㄟ^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(jī)發(fā)出校驗命令，IAP程序?qū)⒏?2 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(jī)。

　　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(nèi)的配置數(shù)據(jù)時，在DS89C450和上位機(jī)之間都會有大量的數(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(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(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器速度更快。

　　4 DS89C450與Xilinx Platform Flash PROM

　　結(jié)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(biāo)準(zhǔn)，它含有一個TAP控制器，也就是一個狀態(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?fàn)顟B(tài)機(jī)按照圖3所示的轉(zhuǎn)換圖處于某一狀態(tài)下，送入特定的指令，TAP控制器對指令進(jìn)行譯碼，譯碼結(jié)果將產(chǎn)生相關(guān)動作，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到數(shù)據(jù)寄存器等。

　　本設(shè)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(yīng)TMS、TD-I、TDO、TCK的功能;而P1.4、P1.5、P1.6、P1.7通過譯碼器74HC138構(gòu)造片選邏輯。當(dāng)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(jìn)行操作。這個狀態(tài)作為系統(tǒng)上電之后的默認(rèn)狀態(tài)。圖4作為示意圖，只畫出了2個JTAG接口，而最多可以連接8個JTAG接口。

　　當(dāng)需要對某個JTAG連接的Platform Flash PROM編程時，上位機(jī)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(jìn)行掃描，將掃描到的IDCODE上報上位機(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(jié)束，關(guān)閉譯碼器的G1門，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，而非某個具體器件的JTAG口?；谶@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(nèi)容進(jìn)行更新，上位機(jī)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(zhǔn)備接收下一幀，依此往復(fù)，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(jié)語

　　本設(shè)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(jī)，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(nèi)部高32 KB區(qū)的用戶程序，二是可通過DS89CA50內(nèi)部高32 KB區(qū)的用戶程序來更新Platform Flash PROM內(nèi)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(hù)將十分方便。