利用单片机实现CPLD的在系统编程

摘要：为了获得一定的灵活性，嵌入式系统大都设计而可编程逻辑器件CPLD。利用单片机对CPLD进行编程，可以方便地升级，修改和测试已完成的设计，文中给出了它的实现过程。
关键词：CPLD MCU ISP JTAG

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，其组成结构如图1所示。其中CPLD采用了XILINX公司的XC9500系列。

二、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。经转换之后的文件大小如表1所列。注意文件的大小只与芯片的型号相关而和逻辑的复杂程度无关。

表1 XSVF文件大小

芯片型号	XC9536	XC9572	XC95108	XC95144	XC95216
XSCF文件/B	5194	11674	19598	12960	26390

XSVF共而16个单字节指令，每一个指令后跟多少不等的单字节数据，如表2所列。
表2 XSVF指令

指令名称	指令代码	指令解释
XCOMPLETE	0x00	XSVF文件结束标志
XTDOMASK	0x01	设置TDO的屏蔽数据
XSIR	0x02	进入移位指令寄存器状态，并且移入TDI的值
XSDR	0x03	进入移位数据寄存器状态，并且移入TDI的值
XRUNTEST	0x04	设置每次访问扫描数据寄存器状态之后处于测试/空闲状态的时间（单位：ms）
XREPEAT	0x07	设置在ISP操作判为失败之前，TDO移出值与预期值比较的次数
XSDRSIZE	0x08	设置后续XSDR/XSDRTDO指令记录的长度
XSDRTDO	0x09	进入移位数据寄存器状态，移入TDI的值，将TDO的移出值与预期的值比较，屏蔽数据起作用
XSETSDRMASKS	0x0a	设置移位数据寄存器的地址和屏蔽数据
XSDRINC	0x0b	执行连续的XSDR指令
XSDRB	0x0c	进入移位数据寄存器状态，并且移入TDI的值，操作结束后保持在此状态
XSDRC	0x0d	移入TDI的值，操作结束后保持在此状态
XSDRE	0x0e	移入TDI的值，操作结束后退出状态，进入测试/空闲状态
XSDRTDOB	0x0f	进入移位数据寄存器状态，移入TDI的值，将TDO的移出值与预期的值比较，屏蔽数据不起作用。操作结束后保持在此状态
XSDRTDOC	0x10	移入TDI的值，将TDO的移出值与预期的值比较，屏蔽数据不起作用。操作结束后保持在此状态
XSDRTDOE	0x11	移入TDI的值，将TDO的移出值与预期的值比较，屏蔽数据不起作用。操作结束后退出此状态，进入测试/空闲状态

四、实现过程

本设计的实现过程如图2所示。

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。