使用DS89C450对Xilinx PROM的在系统编程设计

摘要：使用DS89C450型单片机的I／O口实现JTAG通信协议，再用部分I／O口构造片选逻辑，来对一个系统中多片Xilinx Platform Flash PROM进行在系统编程(ISP)，以此来更新对应的FPGA的配置数据。同时，DS89C450通过在应用编程(IAP)来更新用户代码。将硬件电路设计在背板上，实现插板式机箱结构，方便系统升级。
关键词：DS89C450；JTAG；IAP；Xilinx Platform Flash PROM

引言
    可编程逻辑器件(FPGA、CPLD等)广泛用于现代电子设计中，在一个系统中往往会用1片以上的可编程逻辑器件。作为最大的供应商之一，Xilinx公司的器件获得了广泛的应用。基于查找表技术的FPGA在应用时需要外置一个非易失性存储器来存储配置数据。如何方便灵活地对一个系统中多片FPGA的配置数据进行升级是本文讨论的问题。

1 系统概述
    Xilinx的Platform Flash PROM包括XCFxS和XCFxP系列，它们都是带JTAG接口的PROM，都支持JTAG ISP Programming，本文主要以XCF-01S为例。DS89C450型单片机是一款超高速的高性能单片机，其显著特点是速度快，一个机器周期只需要一个时钟周期；通过使能，可以激活其内部的1 KB数据存储器，来作为数据缓存；同时它具有64KB的内部程序存储器，支持ISP、IAP。
    本设计主要实现的功能是：
    ①DS89C450的在应用编程(IAP)。通过使用IAP，单片机用户代码的更新和修改将十分方便。
    ②使能DS89C450内部1 KB数据存储器，在对Platform Flash PROM编程时，作为数据缓存，这样将无需在片外扩展数据存储器，从而减小了电路板面积，同时提高了访问速度，节省成本。
    ③用DS89C450的P1口的4根线模拟JTAG的时序逻辑，实现与Platform Flash PROM的通信；余下的4根线用来构造片选逻辑，将整个电路设计在背板上，将串口引出到设备面板来与上位机通信。
    ④采用汇编语言开发，使iMPACT下载和单片机下载互不冲突，方便实现插板式机箱结构。
    该设计在设备调试、远程维护、功能扩展和修改等方面将具有很高的灵活性，系统示意图如图1所示。

2 DS89C450 IAP的实现
    DS89C450内部集成了64 KB的Flash程序存储器，64 KB Flash分为2部分，低32 KB区(地址范围0000H～7FFFH)和高32 KB区(地址范围8000H～FFFFH)。只有高32 KB区才可以由IAP程序访问，这个空间将存放用户代码。DS89C450内部有一个存储器管理单元(MMU)，它实际上就是一个状态机，独立于处理器核心而存在，只需向相应的特殊功能寄存器中写入命令、地址、数据等，将启动MMU，实现对高32 KB区的擦除、编程、校验以及系统复位。而在低32 KB区存的是IAP程序，IAP程序代码是通过烧录器烧写进去的。
    IAP程序将通过串口和上位机通信，在系统上电后，上位机发出是否要更新高32 KB区代码的命令，若不更新，则IAP程序立即跳转至8000H处取指令，执行高32 KB区的用户代码；若上位机发出了更新高32KB区代码的命令，IAP程序将进入工作状态，它将首先擦除高32 KB区，然后准备接收新的用户代码(即对Platform Flash PROM操作的代码)，收到新代码数据之后，将其写入高32 KB区；新代码文件全部写入之后，由上位机发出校验命令，IAP程序将高32 KB区按字节读出，并计算出累加和，作为校验和回送上位机。
    上述所有操作都是通过读写2个特殊功能寄存器来实现的，这2个寄存器是FCNTL(地址：D5H)和FDATA(地址：D6H)，图2给出了编程的流程。

3 DS89C450片上1 KB数据存储器的使用
    无论是在IAP程序更新高32 KB区的用户代码时，还是在刷新Platform Flash PROM内的配置数据时，在DS89C450和上位机之间都会有大量的数据传递。DS89C450内部集成了1 KB的数据存储器，它将用作数据的缓存，因此不需要再扩展外部数据存储器。同时，采用汇编语言开发，将有效提高资源的利用率。这1 KB数据存储器在默认情况下是不可用的，需要设置相应的特殊功能寄存器位来激活。将DME0位(PMR．0)置1激活它，激活之后采用MOVX指令访问，相比访问外部扩展的数据存储器速度更快。

4 DS89C450与Xilinx Platform Flash PROM
    结合Xilinx的器件，先简要介绍JTFAG接口的工作原理。
    JTAG又称为边界扫描(boundary scan)，是符合IEEE STD 1149．1的通信标准，它含有一个TAP控制器，也就是一个状态机。所有的指令、数据的输入以及数据的输出都是在状态机的控制下完成的，如图3所示。

    JTAG接口一般用到了下面4根线：
    TMS——模式选择输入，在TCK的上升沿送入TAP控制器，用于状态的转换；
    TDI——输入引脚，指令和数据通过它在TCK的上升沿送入TAP控制器；
    TDO——输出引脚，数据在TCK的下降沿由此输出；
    TCK——输入时钟，为TAP控制器的输入和输出提供时序控制。
    TAP控制器含有1个指令寄存器和若干数据寄存器(数据扫描链)，对于Xilinx的可编程逻辑器件，其指令寄存器一般为8位。TAP控制器的工作流程是，通过TMS引脚，使状态机按照图3所示的转换图处于某一状态下，送入特定的指令，TAP控制器对指令进行译码，译码结果将产生相关动作，例如选择一条数据扫描链准备接收数据，或捕获功能引脚信号到数据寄存器等。
    本设计中，硬件连接图如图4所示，每个JTAG接口都与一片74AHCT245相连，DS89C450的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3分别对应TMS、TD-I、TDO、TCK的功能；而P1．4、P1．5、P1．6、P1．7通过译码器74HC138构造片选逻辑。当P1．7为低电平时，译码器74HC138所有的输出引脚／Y0～／Y7均为高电平，所有74AHCT245的／0E脚均为高，因此，所有的JTAG接口均未选中，这时，它们都可以通过Xilinx Impact软件进行操作。这个状态作为系统上电之后的默认状态。图4作为示意图，只画出了2个JTAG接口，而最多可以连接8个JTAG接口。

    当需要对某个JTAG连接的Platform Flash PROM编程时，上位机通过串口向DS89C450发出命令，DS89C450收到正确的命令之后，打开译码器的G1门，对8个JTAG接口进行扫描，将扫描到的IDCODE上报上位机，空的JTAG接口将扫描到全“1”码；然后，上位机送出需更新代码的板卡地址，DS89C450根据这个地址选择指定的JTAG接口(即选择了需要更新代码的PlatformFlash PROM)，自动升级也就开始了。升级结束，关闭译码器的G1门，回到默认状态。
    一般情况下，具体到某一块板卡，其上的JTAG插针，是将Platform Flash PROM的JTAG和FPGA的JTAG串联起来的菊花链结构。例如，插针的TDI→(TDI，TDO)→(TDI，TDO)→插针的TDO，用括号内的表示XCF01S或FPGA。因此，在图4中的JTAG接口指的是JTAG插针，而非某个具体器件的JTAG口。基于这一点，DS89C450要实现对Platform Flash PROM的操作，需要将菊花链中的FPGA旁路(bypass)。
    要对Platform Flash PROM的内容进行更新，上位机需将新文件(bin格式)按照一定长度的字节数分批次送给DS89C450，DS89C450将本次收到的定长数据写入Platform Flash PROM，写完之后，准备接收下一帧，依此往复，直到将新文件处理完。
    对于XCF01S，其扇区大小为256字节，下面以每次传输256个字节为例，图5给出了操作Platform Flash PROM的指令及编程流程。表1为操作Platform FlashPROM的指令。

结语
    本设计的优点是低成本、高性能、高灵活性。低成本体现在硬件上，用到的器件少，节省电路板空间；DS89C450是一款高性能的单片机，速度快，工作稳定；高灵活性体现在2个更新——一是可通过IAP程序更新DS89C450内部高32 KB区的用户程序，二是可通过DS89CA50内部高32 KB区的用户程序来更新Platform Flash PROM内的数据。同时，多片Platform Flash PROM的更新实现。这样，整个系统的更新维护将十分方便。