MCU模拟JTAG接口对LATTICE CPLD FPGA 进行在线编程加载
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作者:Rock.Ding(莱迪思半导体公司)
关键字:MCU, JTAG, 在线编程, CPLD。
前言
CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件,是从PAL和GAL器件发展出来的器件,相对而言规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,通过编译,映射,布局布线,最后生成相应的JED文件,然后通过CPLD厂家提供的下载电缆和下载软件把JED文件下载器件里面,实现用户的功能。在实际应用中,根据设计需要或修复之前设计中的Bug,常常需要在线升级CPLD的内容。目前各厂家都有提供相应的方案,可以在嵌入式系统中通过CPU来更新CPLD。厂家考虑到方案的兼容性,往往实现编程的代码都比较复杂,而且占用内存资源较大。不适合MCU这样的小系统。本文以Lattice XO2系列的CPLD为例,详细介绍JTAG的编程原理及如何用MCU来模拟JTAG编程Lattice XO2 CPLD。理解了JTAG编程原理后,也可以很容易实现模拟JTAG编程其它的CPLD和FPGA。
一,JTAG介绍
JTAG最初是用来对芯片进行测试的,JTAG的基本原理是在器件内部定义一个TAP(Test Access Port;测试访问口)通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起,形成一个JTAG链,能实现对各个器件分别测试。如今,JTAG接口还常用于实现ISP(In-System Programmer,在系统编程),对CPLD,FPGA等器件进行编程。
JTAG编程方式是在线编程,传统生产流程中先对芯片进行预编程然后再装到板上,简化的流程为先固定器件到电路板上,再用JTAG编程,从而大大加快工程进度及编程的灵活性。
JTAG引脚定义
具有JTAG口的芯片都有如下JTAG引脚定义:
- TCK——测试时钟/编程时钟输入;
- TDI——测试数据/编程数据输入,数据通过TDI输入JTAG口;
- TDO——测试数据/编程数据输出,数据通过TDO从JTAG口输出;
- TMS——测试模式选择/改变TAP内部的状态机的状态。
- TDI, TMS上的数据输入及TDO上的数据输出都是在TCK时钟的作用下完成的。
二,JED文件介绍
JED文件是一个包含了器件的编程内容的文本文件。本文以Lattice XO2系列的CPLD的JED文件为例,简约介绍JED文件的格式,下面是Lattice的开发工具生成的JED文件中截取的一部分:
NOTE Diamond_1.2_Production (92) JEDEC Compatible Fuse File.*
NOTE Copyright (C), 1992-2010, Lattice Semiconductor Corporation.*
QP132*
QF343936*
G0*
F0*
L000000
1111111111111111101111011011001111111111111111110011101100000000000000000
NOTE EBR_INIT DATA*
L137984
1111111111111111111111111111111111110110000000000000000000000000000000000
NOTE END CONFIG DATA*
L184832
0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
NOTE TAG DATA*
L343808
0100010001000100000010001000000000000000000100010000000000000000000000000
C5CC8*
NOTE FEATURE_ROW*
E0000000000000000000000000000000000100001000010000000000000000000
NOTE User Electronic Signature Data*
UHCAFEBABE*
6243
...
三,模拟JTAG编程。
1,怎样获得JTAG的编程细节?
如果手上没有某个CPLD的具体JTAG编程指导文档,可以用厂家的编程工具生成SVF(Serial Vector Format)文件,该文件包含JTAG编程的详细流程和编程类容。以Lattice最新的编程工具Diamond Programmer为例,它附带了一个小工具,叫做Deployment Tool(图1),就可以生成SVF文件。
SVF文件是文本文件,里面包含定义好的各种命令,详细描述了JTAG的编程行为。具体可参考Serial Vector Format Specification标准。SVF文件里面的命令很容易理解,下面从SVF文件中摘取一段擦除器件的SVF代码,做简单介绍:
! Erase the Flash
! Shift in ISC ERASE(0x0E) instruction
SIR 8 TDI (0E); SDR 8 TDI (0E);
RUNTEST IDLE 2 TCK;
! Shift in LSC_CHECK_BUSY(0xF0) instruction
SIR 8 TDI (F0);
LOOP 350 ;
RUNTEST IDLE 2 TCK 1.00E-002 SEC;
SDR 1 TDI (0) TDO (0);
ENDLOOP ;
感叹号后面的类容都是注释,只是为了更好的理解SVF命令。
...
2,解析SVF命令。
如果用厂家的编程工具来编程,是由厂家的软件来控制JTAG口上的输入/输出数据的时序。现在我们通过SVF文件了解JTAG编程具体流程后,也可以解析SVF 命令来模拟这个时序。仔细观察SVF文件,里面主要包括三类指令,SIR,SDR,控制状态机的指令,SDR常用的有三种方式:
1,只在TDI上送入数据,例如:
SDR 128 TDI (0000B280071D000000623FFC0DB01216);
2,送入数据同时,在TDO上读取数据,并判断读取的数据是否是期望的值,例如:
SDR 128 TDI (00000000000000000000000000000000)
TDO (414900000040000000DCFFFFCDBDFFFF);3,是在TDO上读取数据时,只判断MASK相应Bit位是1的TDO的值是否是期望的值,例如:
SDR 32 TDI (00000000) TDO (012B2043) MASK (FFFFFFFF);
下面是解析SVF命令的C51函数,可以直接在Keil C51环境下编译。
1,JTAG状态机转换。
通过在TMS管脚上输入不同的01序列来实现JTAG状态机的控制,下面控制状态机的代码是在Lattice编程工具提供的参考代码修改而来。
typedef struct
{ BYTE CurState;/*** From this state ***/BYTE NextState;/*** Step to this state ***/BYTE Pattern;/*** The pattern of TMS ***/BYTE Pulses;/*** The number of steps ***/
}JTAGState;
JTAGState code JTAGStateTable[25]=
{{DRPAUSE, SHIFTDR, 0x80, 2},{IRPAUSE, SHIFTIR, 0x80, 2},一共25个状态,篇幅影响,这里只列了2个状态。
};
void Set_JTAG_State_Machine(BYTE nextstate)
{BYTE data i,j,temp;if((CurState == nextstate)&&(CurState != RESET))return;for(i = 0;i < 25;i++){if((CurState == JTAGStateTable[i].CurState)&&(nextstate == JTAGStateTable[i].NextState))break;}CurState = nextstate;temp = JTAGStateTable[i].Pattern;for(j = 0;j < JTAGStateTable[i].Pulses;j++){if((temp & 0x80)== 0x80)TMSPin = 0x01; else TMSPin = 0x00;Send_1Clk(); temp = temp << 1;}TDIPin = 0x00; TMSPin = 0x00;
}
首先定义一个数据结构,....
2,解析SIR(Scan Instruction Register)命令。
SIR是往指令寄存器中送入数据,纵观整个SVF文件,SIR命令送入的数据都是8Bit,实现SIR命令的C51函数如下:
BYTE Excute_SIR(BYTE instruction)
{BYTE data i;....for(i = 0;i < 8;i++){...}Set_JTAG_State_Machine(IRPAUSE); return(SUCCESS);
}
该函数只需输入一个参数instruction,函数开始会把JTAG状态机转换到IRPAUSE状态,然后再转换到SHIFTIR状态,再把8Bit 的instruction从TDI管脚送入JTAG,先送低Bit。最后再把JTAG状态机转换到IRPAUSE状态。注意在for循环中,在TCK上只需送入7个时钟周期,也就是说这里送入的时钟周期比数据少一个。
3,解析SDR(Scan Data Register)命令
SDR命令往数据寄存器中送入和读出数据。编程时的数据输入和输出都是通过这个命令来实现。实现SDR的C51函数如下:
BYTE Excute_SDR(BYTE bit_len,BYTE TDI_mark,BYTE TDO_mark,BYTE mask_mark)
{BYTE data I, TDI_data, TDO_data, mask_data, ptr, result; ptr = 0; result = SUCCESS;...for(i = 0;i < bit_len;i++){...}Set_JTAG_State_Machine(DRPAUSE);return(result);
}
上小节说到SDR命令可能有3种模式,不同的模式可能需要用到TDI,TDO,MASK数据,在调用这个函数前,根据需要先把数据存入TDI_Buffer,TDO_Buffer,MASK_Buffer里面,然后调用函数时,把需要送入JTAG的 Bit数据长度,是否有TDI数据,TDO数据及MASK数据四个参数传送给函数。在TDI上送入数据前,先把JTAG状态机转换到DRPAUSE,再转换到SHIFTDR,然后开始送入数据,同样需要注意在送数据时,在TCK上时钟周期数是送入数据Bit数少一个,例如送入128Bit数据,只送127个时钟周期。送完数据后,再把状态机转换到DRPAUSE,这样整个操作完成。函数执行成功,返回1,否则返回0。
四, MCU模拟JTAG编程CPLD完整例子。
上一节已经讲了实现JTAG编程的3个主要函数,本节主要是怎样调用这三个函数实现对CPLD的编程。本例子用到MCU是STC89LE516RD+,CPLD是Lattice LCMXO1200ZE。
Lattice LCMXO1200ZE大致编程流程是:
- 1,检查器件ID,2,编程BSCAN 寄存器,3,使能编程,4,擦除Flash,5,编程Flash,一次编程1行128Bit,一种2175行,6, 编程user code,7,校验Flash, 8,校验User code,9,编程Done Bit,10, 退出编程模式, 11,Refresh。每一个操作可以用一个函数来实现,这里只讲解两个典型的操作:
2, 编程Flash ,编程Flash前首先要复位Flash的地址,这个操作只执行一次,接着每编程一行,Flash的地址会自动加一,函数如下:
BYTE Init_Address(void) {BYTE result;Excute_SIR(0x46); TDI_Buffer[0] = 0x04;result = Excute_SDR(8,1,0,0);Set_JTAG_State_Machine(IDLE);Send_Num_Clk(2);Wait_ms(10);return(result); }
然后以行为单位,编程Flash。调用函数前,需要把编程数据放入TDO_Buffer中。函数执行过程,先送PROG_INCR_NV指令,然后送入编程数据,最后检测编程状态,直到Busy Bit为0后才表示编程成功。成功函数返回1,否则返回0。下面是编程一行的函数,根据器件大小,Flash的行数不同,反复调用这个函数来编程Flash。
BYTE Program_Row(void) {BYTE data loop,result;Excute_SIR(0x70); Excute_SDR(128,1,0,0);Set_JTAG_State_Machine(IDLE);Send_Num_Clk(2); Excute_SIR(0xf0);TDI_Buffer[0] = 0x00; TDO_Buffer[0] = 0x00;for(loop = 0;loop < 10;loop++){Set_JTAG_State_Machine(IDLE); Send_Num_Clk(2);Wait_ms(10); result = Excute_SDR(1,1,1,0);if(result == SUCCESS)break;}return(result); }
3, 校验 Flash ,校验Flash时,也需要先调用复位Flash 地址的函数Init_Address;然后输入LSC_READ_INCR_NV指令,表示开始读取Flash的数据,最后循环调用Verify_Row函数,来读取数据并校验是否正确,在每次调用Verify_Row函数前,需把校验数据放入TDO_Buffer中。相关函数如下:
BYTE Verify_Row(void) {BYTE data result;result = Excute_SDR(128,0,1,0);Set_JTAG_State_Machine(IDLE);Send_Num_Clk(2); Wait_ms(1);return(result); }
4, 本例子中所有的命令和数据来自串口,每接收到一个命令执行一次操作。串口函数根据约定好的协议,从上位机接收命令和数据,接收到成功后,把相关命令传送给主函数,主函数调用相关函数执行相应的操作,执行完成后,又回到等待状态,等待下一个命令。上位机界面如下,只需要选择好串口,选好下载文件,点“Start”按钮就可以了。这里下载的文件是从JED文件转换而来,因为JED文件是文本文件,而且包含了很多注释信息,这里只提取了Flash行的类容,并转化为BIN文件。
总结
本例子模拟JTAG编程有关的代码大约只有300行,只要理解JTAG编程原理,就可以化繁为简。根据自己的需求,定制编程流程,不需完全照搬厂家提供的代码,这样在调试或功能改进中都更加容易和灵活。有需要源代码的可以先在下面回复然后发邮件给我,发邮件时记得写上论坛用户名,我的邮箱是:
admin@mail.hifpga.com
参考文献:
1, MachXO2 Family Handbook,HB1010.pdf。
2, Serial Vector Format Specification,SVF_Spec_RevE.pdf。
3, Lattice VME source code。
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