JTAG并口下載設(shè)計

張立強，宋 玲，劉寶娟

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032)

1 引言

利用并口下載電纜實現(xiàn)JTAG下載，把并口的有效端口和JTAG端口連接起來，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)讀出、控制器的信號輸入、時鐘的傳輸。在狀態(tài)機的正確狀態(tài)下進(jìn)行指令匹配和數(shù)據(jù)傳輸。并在保證數(shù)據(jù)下載正確的前提下，達(dá)到下載速度的最優(yōu)化。

2 JTAG下載設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 并口和JTAG管腳關(guān)系

計算機的標(biāo)準(zhǔn)并行端口是25針的母接頭端口。這25只管腳并不是都被用到。這些管腳分別用于數(shù)據(jù)的傳輸、檢查打印機的狀態(tài)及控制打印機。數(shù)據(jù)端口保存了寫入數(shù)據(jù)和輸出端口的一個字節(jié)信息。每位數(shù)據(jù)都是并行傳送的，它通常是以字節(jié)(8位)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。并口的Pin2(TCK)、Pin3(TDI)、Pin8(TMS)分別對應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器的第0位、第1位、第6位。并口的Pin11(TDO)對應(yīng)狀態(tài)寄存器的第7位。Pin18到Pin25是引腳GND。

2.2 測試訪問端口TAP控制器

TAP控制器是一個有限狀態(tài)機，一共有16個狀態(tài)。測試訪問狀態(tài)機的目的是選擇指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，使其連接到TDI和TDO之間。

邏輯測試單元有一個指令寄存器和三個數(shù)據(jù)寄存器，三個數(shù)據(jù)寄存器為:旁路寄存器(BYPASS)，識別碼寄存器(IDCODE)，邊界掃描寄存器(BOUND)。指令決定使用哪個寄存器。指令寄存器為4位，指令由TDI引腳串行輸入。如圖1所示。

1位旁路寄存器(BYPASS)為TDI－TDO提供了一個最短的串行通路。在板級測試期間，可以通過這條通路繞開不需測試的設(shè)備。這可以提高測試速度。32位識別寄存器(IDCODE)提供了設(shè)備的制造商、版本號等信息。邊界掃描寄存器(BOUND)保持引腳的狀態(tài)或引腳需要的數(shù)據(jù)。邊界掃描寄存器為一個串行的移位寄存器，每個單元分配給芯片的相應(yīng)引腳。

圖1 測試單元的結(jié)構(gòu)

在這些指令中時鐘的上升沿對TDI和TMS進(jìn)行采樣。所有的輸出TDO都是在下降沿產(chǎn)生的。

2.3 JTAG下載流程

JTAG并口編程的實質(zhì)就是首先將EXTEST指令串行移入可編程芯片上JTAG器件的指令寄存器，然后控制JTAG器件的TCK和TMS引腳使其進(jìn)入SHIFT－DR狀態(tài)，再將數(shù)據(jù)串行移入到JTAG器件的邊界掃描寄存器，最后控制JTAG器件的TCK和TMS引腳使其進(jìn)入UPDATE－DR狀態(tài)，將位流寫入FPGA。指令裝載完成后，只要不更改指令，就不需要再進(jìn)行指令移位了，此時只需要進(jìn)行數(shù)據(jù)移位，所以數(shù)據(jù)移位是編程的主要操作。狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。

圖2 TAP控制器的16種狀態(tài)切換圖

首先對狀態(tài)機復(fù)位，使JTAG單元從任何的未知狀態(tài)回到TEST－LOGIC－RESET狀態(tài)，讓TMS至少保持連續(xù)6個周期的高電平后，回到TESTLOGIC－RESET狀態(tài)。程序代碼片段如下:

for(n=0;n＜6;n++)

send_bit(0，1);//連續(xù)6個周期的高電平

TMS加一個周期的低電平，轉(zhuǎn)到RUN－TEST/IDLE狀態(tài)。TMS加兩個周期的高電平轉(zhuǎn)到 SELECT－IR狀態(tài)。加兩個周期的低電平后轉(zhuǎn)到SHIFT－IR狀態(tài)。程序代碼片段如下:

send_bit(0，1);

send_bit(0，1);

send_bit(0，0);

send_bit(0，0);//轉(zhuǎn)到SHIFT－IR狀態(tài)

開始加載CFG_IN指令，指令碼是0101，加載一個周期的高電平轉(zhuǎn)到EXIT1－IR。程序代碼片段如下:

send_bit(1，0);

send_bit(0，0);

send_bit(1，0);

send_bit(0，0);

send_bit(0，1);//加載CFG_IN指令

TMS加載兩個周期的高電平轉(zhuǎn)到SELECT－DR狀態(tài)，再加載兩個周期的低電平后轉(zhuǎn)到SHIFTDR。程序代碼片段如下:

send_bit(0，1);

send_bit(0，1);

send_bit(0，0);

send_bit(0，0);//轉(zhuǎn)到SHIFT－DR狀態(tài)

開始寫配置寄存器選項 COR，寫入指令后SHUTDOWN置1。寫START指令到CMD指令寄存器。寫清CRC指令寄存器。然后加載三個周期的高電平轉(zhuǎn)到SELECT－IR，再加載兩個周期的低電平轉(zhuǎn)到SHIFT－IR狀態(tài)。程序代碼片段如下:

send_bit(0，1);

send_bit(0，1);

send_bit(0，1);

send_bit(0，0);

send_bit(0，0);//轉(zhuǎn)到 SHIFT－IR 狀態(tài)

加載 JSTART指令到指令寄存器，指令碼是0011，加載一個周期的高電平轉(zhuǎn)到EXIT1－IR狀態(tài)。程序代碼片段如下:

send_bit(0，0);

send_bit(0，0);

send_bit(1，0);

send_bit(1，0);

send_bit(0，1);//加載JSTART指令

加載兩個周期的高電平，再加載兩個周期的低電平轉(zhuǎn)到SHIFT－DR狀態(tài)。程序代碼片段如下:send_bit(0，1);

send_bit(0，1);

send_bit(0，0);

send_bit(0，0);//轉(zhuǎn)到SHIFT－DR狀態(tài)

加載17個時鐘周期關(guān)閉時序。程序代碼片段如下:

for(n=0;n＜17;n++)

send_bit(0，n==16);

加載三個周期的高電平和兩個周期的底電平轉(zhuǎn)到SHIFT－IR狀態(tài)，加載CFG_IN指令。在SHIFTDR狀態(tài)寫AGHIGH指令到CMD寄存器中，產(chǎn)生GHIGH_B信號。寫COR使得SHUTDOWN狀態(tài)是0。寫完指令后，加載三個周期的高電平和兩個周期的低電平，狀態(tài)轉(zhuǎn)到 SHIFT－IR狀態(tài)。加載JSTART指令后轉(zhuǎn)到SHIFT－DR狀態(tài)。加載17個時鐘周期關(guān)閉時序轉(zhuǎn)到SHIFT－IR狀態(tài)，加載CFG_IN指令。在SHIFT－DR狀態(tài)寫AGHIGH指令到CMD寄存器中，產(chǎn)生GHIGH_B信號。寫COR使得SHUTDOWN狀態(tài)是1。寫完指令后，加載三個周期的高電平和兩個周期的低電平，轉(zhuǎn)到SHIFT－IR狀態(tài)。加載JSTART指令。轉(zhuǎn)到SHIFT－DR狀態(tài)，加載17個時鐘周期關(guān)閉時序。轉(zhuǎn)到SHIFT－IR狀態(tài)，加載CFG_IN指令。轉(zhuǎn)到SHIFT－DR狀態(tài)，加載二進(jìn)制位流文件，進(jìn)行編程下載工作。位流全部移進(jìn)后，轉(zhuǎn)到SHIFT－IR狀態(tài)，加載JSTART指令。加載兩個周期的高電平和兩個周期的低電平后轉(zhuǎn)到SHIFT－DR狀態(tài)。加載17個周期的低電平后，再加載兩個周期的高電平和一個周期的低電平，狀態(tài)機轉(zhuǎn)到RUN－TEST/IDLE狀態(tài)。程序代碼片段如下:

send_bit(0，1);

send_bit(0，1);

send_bit(0，0);

JTAG編程下載完成。

2.4 測試與驗證

JTAG下載程序在多款可編程芯片上進(jìn)行了測試，位流能成功進(jìn)行下載，電路的功能經(jīng)驗證完全正確。

3 結(jié)束語

JTAG并口編程很好的實現(xiàn)了位流文件到FPGA的下載，并對下載成功與否做出了明確的判斷。通過指令回讀出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)，用于對比下載前后FPGA的狀態(tài)變化。

［1］［美］Dhananjay.V.Gadre.并行端口編程［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［2］何希順，張躍，何榮森.嵌入系統(tǒng)中的JTAG接口編程技術(shù)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2001，27(12):9－12.