精MCU模拟JTAG接口对LATTICE CPLD进行在线编程加载

2年前更新

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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

JED文件里面的每一个区域（Field）都是以一个关键字开始，以星号字符结束。常用关键字说明如下：
NOTE：注释信息，包含设计的一些信息，例如器件名字，设计时间等。编程时，其实不需要这些信息，仅为了更好的理解这个设计。
QP132: 表示是132Pin的封装。
QF343936：表示器件包含了343936个编程Bit。
G0：表示不编程加密位，如果是G1表示编程加密位。编程加密位后，器件的内容不能回读。
F0：表示没有指定编程内容的编程位的缺省值为0，如果是F1，缺省值是1.
L000000:表示后面的编程类容从地址0开始。
L137984：同上，表示后面的编程内容从地址137984开始。
C5CC8：表示所有编程内容的校验和。
E：表示后面是Feature Row的编程内容。
UH：表示ASSCII HEX格式的User Code 码。
6243：整个文件的校验和，即使编程内容不变，只是生成JED文件的时间不同，这个校验值也会不同。

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 ;

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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。

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首先定义一个数据结构，包含状态机的当前状态（CurState）;下一个状态（NextState）;从CurState转换到NextState需要在TMS管脚上送入的Bit Pattern;以及送入的Bit位数。然后定义状态转换表，一共有25种可能的状态转换。注意从转换表中我们可以看到，即使NextState状态相同，但CurState不同，从TMS输入的Pattern和Bit数是不同的。Set_JTAG_State_Machine函数功能描述，该函数只需要一个参数，就是即将进入的是什么状态（nextstate），该函数会根据这个参数和状态机当前状态，在状态转换表中取出相应的Pattern和Bit数 (Pulses), 然后把它从TMS送入JTAG口，这样JTAG的状态机就会转到nextstate状态。

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。