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使用嵌入式處理器對可編程邏輯器件重編程

摘要： “在系統可重編程能力”指的是在可編程邏輯器件焊接到印制電路板上之后還可以對其重編程的一種特性。本文給出了如何通過嵌入式處理器使用Jam語言對具備“在系統可重編程能力”的可編程邏輯器件重編程的方法，包括軟件方面和硬件方面的考慮以及內存的使用情況，解決了在產品原型及制造階段由于條件所限無法通過下載電纜對可編程邏輯器件重編程的問題。

關鍵詞： FPGA 嵌入式處理器可編程邏輯 JTAG

Abstract：

Key words :

　　1 引言

　　在嵌入式系統里除了嵌入式處理器外還會經常使用到可編程邏輯器件，有些可編程邏輯器件在被焊接到印制電路板上之后還可以對其程序進行更新，這種特性稱之為“在系統可重編程能力”（In SystemReprogrammability，ISR）。在單板開發階段，通常使用下載電纜通過IEEE Standard 1149.1 JTAG接口對可編程邏輯器件重編程。在產品原型及制造階段，單板上的JTAG接口很可能出于產品外形及內部結構設計的考慮已經無法與下載電纜相連接，此時將無法通過下載電纜對可編程邏輯器件重編程。基于嵌入式系統的產品通常對外提供串行接口或以太網接口，這些接口由嵌入式處理器來控制[1] ，因此可以通過這些接口將可編程邏輯器件的更新程序發送到處理器，由處理器對可編程邏輯器件重編程。

　　2 實現方法

　　2.1 軟件方面

　　串行接口由于協議實現簡單、占用資源少而被嵌入式系統廣泛使用，只需要使用串行接口連接線將主機的串行接口與產品的串行接口相連接，通過主機上的串行接口通訊軟件將更新程序發送給處理器即可，文件傳輸協議一般采用Xmodem協議；而對于基于嵌入式系統的網絡產品而言，由于自身提供以太網接口，而且操作系統內嵌TCP/IP協議棧，因此可以使用以太網接口將更新程序發送給處理器，文件傳輸協議一般采用TFTP協議，嵌入式系統運行TFTP服務器程序，主機上運行TFTP客戶端程序[2] 。

　　嵌入式處理器通過串行接口或以太網接口接收到的可編程邏輯器件的更新程序是一種Jam文件，使用類似于Altera公司Quartus II development tool的開發工具根據Jam標準和測試語言（Jam Standard Test andProgramming Language 以下簡稱Jam語言）的要求由Programmer Object File (*.pof，文件后綴名為pof)一類的目標文件轉換生成[3] 。Jam文件是一個ASCII文件，文件中包含了對可編程邏輯器件進行編程的所有信息，包括編程算法和數據，詳細介紹如下：

　　（1）“注解字段”部分存儲了Jam文件的相關信息，包括可編程邏輯器件的名稱，Jam文件的創建時間，使用的Jam語言的版本等等。

　　（2）“變量聲明/初始化”部分由編程/校驗的數據和Jam文件用到的一些變量聲明組成。

　　（3）“算法部分”包含了對可編程邏輯器件編程需要用到的命令和代碼，包括空白檢查、擦除、編程和校驗等等所有可以在可編程邏輯器件上執行的功能。在代碼中可以使用分支或循環結構。

　　嵌入式處理器在接收到Jam文件之后通過運行一個Jam Player程序來解析這個Jam文件，翻譯文件中每一條指令，并對JTAG端口進行數據的讀寫操作，從而完成對ISR可編程邏輯器件程序的更新工作。Jam Player是一個C語言程序，其main主程序執行所有的基本功能，包括對Jam文件內容的解析，指令的翻譯等，這部分內容對于所有的嵌入式系統和Jam文件來說都是一樣的。而Jam Player的I/O功能，包括I/O管腳的尋址、延時程序、文件的I/O以及操作系統相關的功能都包含在jamstub.c文件里，通過修改這個文件Jam Player可以適用于任何系統結構。當Jam Player接收數據的時候，jamstub.c能夠從Jam文件取回數據，或者從TDO管腳移位讀取數據。jamstub.c也能將處理過的JTAG數據發送到3個JTAG管腳（TDI、TMS和TCK），將出錯消息和相關信息返回給調用程序。升級ISR可編程邏輯器件的程序只需要改變Jam文件。

　　Jam Player通過一個jam_jtag_io函數（int jam_jtag_io(int tms_tdi)）來控制對JTAG接口的讀寫操作。每次調用這個函數的時候，JTAG的TMS和TDI輸出信號將被設定為需要的值，而TDO輸入信號將被采樣，值將被返回，之后TCK時鐘信號將產生一個下降沿。tms_tdi參數包含3比特信息，分別指示TMS信號和TDI信號的狀態以及是否需要讀取TDO的輸出（如果不需要用到TDO的值則可以跳過對TDO的讀取操作）。最低位比特代表TMS的值，第2位比特代表TDI的值，第3位比特指示是否讀取TDO：如果置位，則必須讀取TDO的值，否則不需要。如果TDO為低電平，返回零值，高電平則返回非零值。如果沒有對TDO進行讀取也將返回零值。

　　2.2 硬件方面

　　嵌入式處理器與JTAG 器件連接的方法有兩種，一種是直接將嵌入式處理器與JTAG 器件連接起來，這種方法處理器需要有專門四個管腳用于JTAG 接口，節省了電路板空間的同時卻占用了處理器的四個管腳；另一種方法通過一個接口邏輯將JTAG 器件連接到處理器的總線，處理器通過JTAG 器件對應的地址來對其進行讀寫操作[4] 。

　　圖1 給出了接口邏輯的一個范例。當接口邏輯收到正確的地址和控制信號，它將對TDI、TCK 和TMS信號進行同步，并通過多路復用器驅動輸出管腳，下載電纜也可以通過多路復用器對JTAG 鏈進行編程或驗證[5] 。TDI、TCK 和TMS 信號的同步通過嵌入式處理器的時鐘信號和寄存器來完成，TDO 的緩沖區可以防止總線競爭，TDI、TCK 和TMS 的緩沖區在調試的時候還可以用來讀回寄存器的值。圖中的與門通過R/W 信號來控制執行讀或寫操作，而AS 和DS 信號則可以在另一個級別上對電路進行選擇和去選擇。

接口邏輯

圖1 接口邏輯

　　2.3 內存使用情況

　　下面討論使用嵌入式處理器對可編程邏輯器件重編程時內存的使用情況。為了能夠兼容沒有內存分配服務的嵌入式處理器，Jam Player 不僅需要程序存儲空間而且需要動態內存。程序存儲空間（如硬盤驅動器或ROM）用于存儲Jam Player 可執行二進制文件和Jam 文件；動態內存（如RAM）將在調用Jam Player的時候使用。

　　Jam Player 按照下面的步驟來使用內存：

　　（1）嵌入式處理器從ROM 中調用Jam Player；

　　（2）Jam Player 從ROM 中讀取Jam 文件，然后把它存入RAM；

　　（3）Jam Player 對Jam 文件中包含的壓縮程序數據解壓，并將解壓后的數據存入RAM；

　　（4）Jam Player 在RAM 中初始化符號表（symbol table）、堆棧（stack）和堆（heap）。

　　符號表包含Jam 文件的標記（labels）和變量（variables）；堆棧用于FOR 循環，CALL 和PUSH 語句；堆作為臨時內存用于數學表達式的求值以及填充數據的存儲。在處理Jam 文件時每碰到一個命令堆棧和堆大小都將增加，可用動態內存越來越少，而Jam 文件、解壓縮后的數據以及符號表需要的動態內存空間在整個過程中則保持不變。

　　Jam Player 的內存使用情況如圖2 所示。

Jam Player 的內存使用情況

圖2 Jam Player 的內存使用情況

　　2.3.1 程序存儲空間（ROM）使用情況

　　所需程序存儲空間為：

Jam Player的大小由使用的嵌入式處理器以及接口邏輯的復雜度決定，Jam文件總的程序存儲空間由JTAG鏈上正在被編程的器件數量決定。如果JTAG鏈上只有一個器件，該器件對應Jam文件的大小即為所需程序存儲空間的大小。Jam文件的大小還取決于目標器件，在壓縮后一般在26K字節到30K字節。假設JTAG鏈中有3個器件，所有3個器件都將要編程，所需Jam文件存儲空間將為3個Jam文件大小的總和。表1給出了單器件所需要程序存儲空間的情況。

表1 單器件需要的程序存儲空間

單器件需要的程序存儲空間

　　2.3.2 動態內存（RAM）的使用情況

　　所需RAM 空間為：

所需RAM 空間

Jam 文件需要的RAM 空間與ROM 空間大小一樣，在程序存儲空間使用情況里已經討論過了。在Jam Player從ROM 讀出Jam 文件存儲到RAM 之后，Jam Player 對Jam 文件里的壓縮數據解壓并將解壓后的數據存儲到RAM。解壓后的數據占用RAM 空間的大小可以通過Jam 文件里的ACA 變量來得到。每個ACA 變量都在“變量聲明/初始化”部分列出，每個數組的大小由變量聲明方括號里的數值決定。例如：