STM32的CPLD離線燒寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)※

劉艷萍，趙騰，張進(jìn)東

（1.河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津300400；2.北京泰德瑞普科技有限公司）

引 言

Altera公司為在系統(tǒng)編程（ISP）提供了軟件級標(biāo)準(zhǔn)：Jam STAPL JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD-71[2]，它徹底改變了可編程邏輯器件（PLD）的編程和配置。該標(biāo)準(zhǔn)支持當(dāng)前所有使用JTAG進(jìn)行在系統(tǒng)編程的可編程邏輯器件。對于嵌入式系統(tǒng)，該標(biāo)準(zhǔn)滿足所有的必要條件，例如：文件小、便于操作以及平臺獨(dú)立。

Jam STAPL（標(biāo)準(zhǔn)測試和編程語言）Byte-Code Player是一種讀取并執(zhí)行.jbc文件的解釋性程序。一個(gè).jbc文件可包含多種功能，例如，對CPLD進(jìn)行編程、配置、驗(yàn)證、擦除以及空白檢查等[3]。Jam STAPL Byte-Code Player執(zhí)行軟件可以訪問用來執(zhí)行基于IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的所有指令的IEEE 1149.1信號。執(zhí)行軟件也能夠處理.jbc文件中用戶定義的操作和程序。.jbc文件是二進(jìn)制文件，Jam STAPL Byte-Code Player執(zhí)行軟件解析.jbc文件描述信息后，將其翻譯成設(shè)置到目標(biāo)CPLD中的數(shù)據(jù)和算法。這個(gè)執(zhí)行軟件不針對某一供應(yīng)商或者器件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，它只讀取并解釋Jam STAPL規(guī)范定義的語句[3]。

針對這種情況，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的CPLD離線燒寫模塊。離線CPLD燒寫器是針對生產(chǎn)和現(xiàn)場調(diào)試等應(yīng)用場合而設(shè)計(jì)的一款燒寫設(shè)備，它的出現(xiàn)可以拋開PC機(jī)燒寫的固有模式，無需在線JTAG下載器甚至是電源，就可以輕松完成CPLD的燒寫功能，從而大大提高生產(chǎn)效率，降低了現(xiàn)場系統(tǒng)升級及調(diào)試時(shí)對設(shè)備和環(huán)境的苛刻需求。該模塊的成功實(shí)現(xiàn)，極大地方便了用戶對CPLD的燒寫和更新。對廠家而言，生產(chǎn)線上就可以告別笨重的電腦和繁瑣的操作，修改和維護(hù)已銷售產(chǎn)品中的CPLD邏輯，再不需要技術(shù)人員背著沉重的筆記本和各種線纜出差，所以其意義非常重大。

1 離線燒寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CPLD的離線燒寫系統(tǒng)由兩部分組成：一部分是以嵌入式處理器STM32為核心的硬件平臺[4]，另一部分是以Jam STAPL Byte-Code Player為核心的軟件系統(tǒng)。

1.1 核心芯片的介紹

本系統(tǒng)所使用的嵌入式處理器是ST公司的產(chǎn)品STM32F103ZET6——基于ARM架構(gòu)芯片來完成的嵌入式CPLD離線燒寫[4]。使用STM32F103ZET6是因?yàn)樵撔酒夹g(shù)相當(dāng)成熟，在新的平臺上移植非常方便，而且使用其自帶的固件庫，極大地方便了程序員項(xiàng)目的開發(fā)，減少了一些不必要的麻煩。同時(shí)，其處理器的速度為72 MHz，足夠強(qiáng)大；MCU內(nèi)部集成的功能單元非常多，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[4-5]。

1.2 軟件工具

本系統(tǒng)使用的軟件開發(fā)環(huán)境為Keil u Vision4。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（u Vision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要 Win98、NT、Win2000、WinXP、Win7等操作系統(tǒng)[6]。

如果使用C語言編程，那么Keil幾乎就是不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。Keil u Vision4引入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠使用多臺監(jiān)視器。新的用戶界面可以更好地利用屏幕空間，更有效地組織多個(gè)窗口，提供一個(gè)簡潔、高效的環(huán)境來開發(fā)應(yīng)用程序。新版本支持更多最新的ARM芯片，還添加了一些其他新功能。

1.3 系統(tǒng)燒寫框圖

系統(tǒng)的燒寫框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)燒寫框圖

由Quartus軟件產(chǎn)生.jbc文件，如果所產(chǎn)生的.jbc文件過大，則將文件放置于TF卡中，之后通過數(shù)據(jù)的讀取，將文件數(shù)據(jù)讀到片內(nèi)FLASH。在STM32F103ZET6主控芯片中已經(jīng)成功固化了Jam STAPL Byte-Code Player執(zhí)行軟件，Jam STAPL Byte-Code Player執(zhí)行軟件解析，并執(zhí)行.jbc文件包含的信息，經(jīng)過主控芯片模擬JTAG的時(shí)序，在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動下燒寫目標(biāo)板CPLD。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控芯片選擇STM32F103ZET6，該芯片片上集成512 KB的FLASH存儲器，完全能夠容納本系統(tǒng)所需求的.jbc文件，不必再外接FLASH芯片。如果用戶所生成的用于燒寫CPLD的.jbc文件大小比芯片片內(nèi)FLASH存儲容量大，就需要外擴(kuò)FLASH芯片，以保證文件的完整性[7]。在生產(chǎn)上，為了適應(yīng)絕大部分的數(shù)據(jù)燒寫文件，可以把.jbc文件放到TF卡中。通過文件系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)一塊一塊地搬移到片內(nèi)FLASH中去，這樣一來，不管多大的數(shù)據(jù)文件，都不用擔(dān)心存儲空間不足的問題。

圖2為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件系統(tǒng)主要包括外部晶振電路、電源模塊、用于調(diào)試的20針JTAG調(diào)試接口、復(fù)位電路、串行接口USART、TF卡槽和用于燒寫的5針JTAG燒寫接口。硬件系統(tǒng)組成非常簡潔，JTAG調(diào)試口是上位機(jī)用來調(diào)試燒寫程序，并將燒寫程序固化到STM32芯片中；外部晶振選擇8 MHz；電源電壓值選擇3.3 V；SPI總線用來讀取TF卡中的文件數(shù)據(jù)；JTAG燒寫接口是用來燒寫目標(biāo)板的JTAG接口；USART串行口會打印出目標(biāo)板的燒寫信息，顯示在PC機(jī)上。USART這一部分也可以省去，因?yàn)樵诔绦蛑幸呀?jīng)設(shè)定，目標(biāo)板的CPLD燒寫成功后，會有LED燈提示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要采用Altera公司所提供的嵌入式處理器上使用Jam標(biāo)準(zhǔn)測試和編程語言（STAPL）進(jìn)行在系統(tǒng)編程時(shí)的配置方案。

Altera公司為ISP編程提供了軟件級標(biāo)準(zhǔn)：Jam STAPL JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD-71，它的出現(xiàn)徹底改變了可編程邏輯器件（PLD）的編程和配置。該標(biāo)準(zhǔn)支持當(dāng)前所有使用JTAG進(jìn)行在系統(tǒng)編程的可編程邏輯器件。對于嵌入式系統(tǒng)，該標(biāo)準(zhǔn)滿足所有的必要條件，例如文件、便于操作以及平臺獨(dú)立。

3.1 燒寫文件的生成

系統(tǒng)用于燒寫CPLD的.jbc文件是由Altera公司提供的Quartus軟件生成的[9]。其步驟如下：

①在TOOLs菜單中，單擊Programmer。

②單擊Add File，為所選邏輯器件選擇編程文件。

③在File菜單上，指向Create/Update、單機(jī)Create Jam、SVF或者ISC File。

④在列出的File Format中，選擇.jbc文件格式。

⑤單擊OK按鈕。

3.2 Jam STAPL Byte-Code Player執(zhí)行軟件

系統(tǒng)所需要移植的源代碼主要包括9個(gè)文件：JBICOMP.C 文 件、JBIJTAG.C 文 件、JBIMAIN.C 文 件、JBISTUB.C文件、JBC＿FILE.C文件、JBICOMP.H 文件、JBIJTAG.H文件、JBIPORT.H文件和JBIEXPRT.H文件。以上9個(gè)文件構(gòu)成了Jam STAPL Byte-Code Player執(zhí)行軟件。圖3為該執(zhí)行軟件源代碼結(jié)構(gòu)圖。

圖3 執(zhí)行軟件源代碼結(jié)構(gòu)圖

Quartus軟件生成的.jbc文件，存放在JBC＿FILE.C文件中。Jam STAPL Byte-Code Player解析.jbc文件中的描述信息，將其翻譯成設(shè)置到目標(biāo)CPLD中的數(shù)據(jù)和算法。一個(gè).jbc文件可包括多種功能，例如對CPLD進(jìn)行編程、配置、驗(yàn)證、擦除以及空白檢查等。Jam STAPL Byte-Code Player是用C語言寫的，應(yīng)用于16位和32位處理器，其源代碼的一部分也適用于8位處理器。把執(zhí)行軟件源代碼分成3類：

①JBCSTUB.C文件：它是專門用于處理I/O功能的代碼平臺，應(yīng)用到所使用的硬件上。

②JBC＿FILE.C文件：用于存放.jbc文件中的數(shù)據(jù)。在該文件中定義了一個(gè)數(shù)組jbc＿code，該數(shù)組存儲的是十六進(jìn)制的數(shù)，這些十六進(jìn)制的數(shù)是由.jbc文件轉(zhuǎn)換得來，本系統(tǒng)所用.jbc文件的大小為43 KB。

③所有其他的C文件：執(zhí)行Player內(nèi)部功能的通用代碼。

3.3 軟件的移植與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)是基于嵌入式處理器的CPLD的燒寫，移植代碼需要對其中的一些C文件進(jìn)行修改。Jam STAPL Byte-Code Player執(zhí)行軟件的默認(rèn)配置包括支持DOS、32位Windows以及UNIX的代碼，移植到本系統(tǒng)所選的平臺上，需要使用預(yù)處理聲明＃define來去掉這些代碼。移植主要修改的文件為JBISTUB.C文件，其中需要定制幾個(gè)函數(shù)：

①jbi＿jtag＿io（）：為4個(gè)IEEE 1149.1 JTAG 信號（TDI、TMS、TDO和TCK）提供接口。

②jbi＿export（）：把信息（例如用戶電子簽名）傳遞回調(diào)用程序（選擇默認(rèn)）。

③jbi＿delay（）：執(zhí)行期間實(shí)現(xiàn)所需的編程脈沖或者延遲。

④jbi＿vector＿map（）：處理非IEEE 1149.1JTAG信號的信號到引腳映射（選擇默認(rèn)）。

⑤jbi＿vector＿io（）：對 VECTOR MAP 中定義的非IEEE 1149.1 JTAG信號進(jìn)行置位（選擇默認(rèn)）。

系統(tǒng)的代碼移植包括以下4步：

①將預(yù)處理聲明設(shè)置為去掉無關(guān)代碼。

修改默認(rèn)的PORT參數(shù)為EMBEDDED來去除DOS、Windows和 UNIX源代碼以及包含庫，在JBISTUB.C文件開頭定義＃define JBC＿PORT EMBEDDED，即選擇的環(huán)境是嵌入式處理器平臺。

②將JTAG信號映射至硬件引腳。

JBISTUB.C中的jbi＿jtag＿io（）函數(shù)含有發(fā)送和接收二進(jìn)制編程數(shù)據(jù)的代碼。其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

③定制延時(shí)校準(zhǔn)。

calibrate＿delay（）函數(shù)確定處理器每ms運(yùn)行多少次循環(huán)。因?yàn)榫幊毯团渲眯枰_的延時(shí)，因此這一校準(zhǔn)過程非常重要。默認(rèn)情況下，one＿ms＿delay＝1000L，根據(jù)自己系統(tǒng)所使用的處理器芯片進(jìn)行修改，本系統(tǒng)定義的函數(shù)修改如下：

④修改主入口函數(shù)jbi＿execute（）。

Jam STAPL Byte-Code Player主入口點(diǎn)是jbi＿execute（）函數(shù)，該函數(shù)將某些信息傳給Player，Player根據(jù)所傳達(dá)的命令作出相應(yīng)的編程動作，當(dāng)Player完成后會返回一個(gè)退出代碼，以及任何運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤的詳細(xì)信息。JBISTUB.C中的程序原型定義了接口：

在JBISTUB.C的main（）函數(shù)中確定了傳給jbi＿execute（）的變量。初始化列表告訴Jam STAPL Byte-Code Player要執(zhí)行的函數(shù)類型（例如編程和驗(yàn)證），傳送該列表到j(luò)bi＿execute（）。必須以正確的方式來傳送初始化列表，如果初始化列表沒有被傳送或者無效，那么Jam STAPL Byte-Code Player就會檢查.jbc文件的語法。如果沒有錯(cuò)誤，那么返回一個(gè)成功退出碼，不會執(zhí)行程序函數(shù)。

移植只需要修改列表中3個(gè)參數(shù)：定義program＿size＝43 883，單位是字節(jié)，該參數(shù)是.jbc文件的大?。欢xprogram ＝（unsigned char ＊ ）jbi＿code，該參數(shù)是指向.jbc文件的指針，也就是指向由.jbc文件轉(zhuǎn)換而來的數(shù)組jbi＿code[]的指針；定義action[]＝ "PROGRAM＼0"，即Player要對CPLD進(jìn)行燒寫動作。余下的參數(shù)不用修改，保持默認(rèn)即可。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.4 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

系統(tǒng)所要燒寫的目標(biāo)CPLD為Altera公司生產(chǎn)的MAX II型號的器件，該器件能夠支持.jbc文件所包括的操作有5項(xiàng)：Program、Blankcheck、Verify、Erase和 Read＿usercode。本系統(tǒng)只選擇Program操作進(jìn)行了功能驗(yàn)證。表1為.jbc文件操作聲明定義。

對器件進(jìn)行燒寫后會返回退出代碼。無論燒寫成功與否，都會有一個(gè)退出代碼被返回。退出代碼是一個(gè)整數(shù)值，用于指示.jbc文件執(zhí)行后的結(jié)果。退出代碼為零表示成功，而非零則表示失敗，并指示出失敗的一般類型。系統(tǒng)的測試平臺和燒寫目標(biāo)板實(shí)物圖略——編者注。

在程序中已經(jīng)設(shè)定：目標(biāo)板中的CPLD燒寫成功后，目標(biāo)板的LED連閃三次，之后變成常亮的狀態(tài)。燒寫不成功，LED燈一直處于滅的狀態(tài)。通過串口在PC機(jī)上打印出燒寫成功的信息略——編者注。

表1 .jbc文件操作聲明

若返回代碼Exit code＝0，表示CPLD燒寫成功；若返回其他任何非0數(shù)字，均為燒寫失敗。

結(jié) 語

該模塊的成功實(shí)現(xiàn)，極大地方便了用戶對CPLD的燒寫和更新。對廠家而言，生產(chǎn)線上就可以告別笨重的電腦，省去繁瑣的操作，修改和維護(hù)已銷售產(chǎn)品中的CPLD邏輯將變得非常方便。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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