使用嵌入式处理器对可编程逻辑器件重编程

　　1 引言

　　在嵌入式系统里除了嵌入式处理器外还会经常使用到可编程逻辑器件，有些可编程逻辑器件在被焊接到印制电路板上之后还可以对其程序进行更新，这种特性称之为“在系统可重编程能力”（In SystemReprogrammability，ISR）。在单板开发阶段，通常使用下载电缆通过IEEE Standard 1149.1 JTAG接口对可编程逻辑器件重编程。在产品原型及制造阶段，单板上的JTAG接口很可能出于产品外形及内部结构设计的考虑已经无法与下载电缆相连接，此时将无法通过下载电缆对可编程逻辑器件重编程。基于嵌入式系统的产品通常对外提供串行接口或以太网接口，这些接口由嵌入式处理器来控制[1] ，因此可以通过这些接口将可编程逻辑器件的更新程序发送到处理器，由处理器对可编程逻辑器件重编程。

　　2 实现方法

　　2.1 软件方面

　　串行接口由于协议实现简单、占用资源少而被嵌入式系统广泛使用，只需要使用串行接口连接线将主机的串行接口与产品的串行接口相连接，通过主机上的串行接口通讯软件将更新程序发送给处理器即可，文件传输协议一般采用Xmodem协议；而对于基于嵌入式系统的网络产品而言，由于自身提供以太网接口，而且操作系统内嵌TCP/IP协议栈，因此可以使用以太网接口将更新程序发送给处理器，文件传输协议一般采用TFTP协议，嵌入式系统运行TFTP服务器程序，主机上运行TFTP客户端程序[2] 。

　　嵌入式处理器通过串行接口或以太网接口接收到的可编程逻辑器件的更新程序是一种Jam文件，使用类似于Altera公司Quartus II development tool的开发工具根据Jam标准和测试语言（Jam Standard Test andProgramming Language 以下简称Jam语言）的要求由Programmer Object File (*.pof，文件后缀名为pof)一类的目标文件转换生成[3] 。Jam文件是一个ASCII文件，文件中包含了对可编程逻辑器件进行编程的所有信息，包括编程算法和数据，详细介绍如下：

　　（1）“注解字段”部分存储了Jam文件的相关信息，包括可编程逻辑器件的名称，Jam文件的创建时间，使用的Jam语言的版本等等。

　　（2）“变量声明/初始化”部分由编程/校验的数据和Jam文件用到的一些变量声明组成。

　　（3）“算法部分”包含了对可编程逻辑器件编程需要用到的命令和代码，包括空白检查、擦除、编程和校验等等所有可以在可编程逻辑器件上执行的功能。在代码中可以使用分支或循环结构。

　　嵌入式处理器在接收到Jam文件之后通过运行一个Jam Player程序来解析这个Jam文件，翻译文件中每一条指令，并对JTAG端口进行数据的读写操作，从而完成对ISR可编程逻辑器件程序的更新工作。Jam Player是一个C语言程序，其main主程序执行所有的基本功能，包括对Jam文件内容的解析，指令的翻译等，这部分内容对于所有的嵌入式系统和Jam文件来说都是一样的。而Jam Player的I/O功能，包括I/O管脚的寻址、延时程序、文件的I/O以及操作系统相关的功能都包含在jamstub.c文件里，通过修改这个文件Jam Player可以适用于任何系统结构。当Jam Player接收数据的时候，jamstub.c能够从Jam文件取回数据，或者从TDO管脚移位读取数据。jamstub.c也能将处理过的JTAG数据发送到3个JTAG管脚（TDI、TMS和TCK），将出错消息和相关信息返回给调用程序。升级ISR可编程逻辑器件的程序只需要改变Jam文件。

　　Jam Player通过一个jam_jtag_io函数（int jam_jtag_io(int tms_tdi)）来控制对JTAG接口的读写操作。每次调用这个函数的时候，JTAG的TMS和TDI输出信号将被设定为需要的值，而TDO输入信号将被采样，值将被返回，之后TCK时钟信号将产生一个下降沿。tms_tdi参数包含3比特信息，分别指示TMS信号和TDI信号的状态以及是否需要读取TDO的输出（如果不需要用到TDO的值则可以跳过对TDO的读取操作）。最低位比特代表TMS的值，第2位比特代表TDI的值，第3位比特指示是否读取TDO：如果置位，则必须读取TDO的值，否则不需要。如果TDO为低电平，返回零值，高电平则返回非零值。如果没有对TDO进行读取也将返回零值。

　　2.2 硬件方面

　　嵌入式处理器与JTAG 器件连接的方法有两种，一种是直接将嵌入式处理器与JTAG 器件连接起来，这种方法处理器需要有专门四个管脚用于JTAG 接口，节省了电路板空间的同时却占用了处理器的四个管脚；另一种方法通过一个接口逻辑将JTAG 器件连接到处理器的总线，处理器通过JTAG 器件对应的地址来对其进行读写操作[4] 。

　　图1 给出了接口逻辑的一个范例。当接口逻辑收到正确的地址和控制信号，它将对TDI、TCK 和TMS信号进行同步，并通过多路复用器驱动输出管脚，下载电缆也可以通过多路复用器对JTAG 链进行编程或验证[5] 。TDI、TCK 和TMS 信号的同步通过嵌入式处理器的时钟信号和寄存器来完成，TDO 的缓冲区可以防止总线竞争，TDI、TCK 和TMS 的缓冲区在调试的时候还可以用来读回寄存器的值。图中的与门通过R/W 信号来控制执行读或写操作，而AS 和DS 信号则可以在另一个级别上对电路进行选择和去选择。

图1 接口逻辑

　　2.3 内存使用情况

　　下面讨论使用嵌入式处理器对可编程逻辑器件重编程时内存的使用情况。为了能够兼容没有内存分配服务的嵌入式处理器，Jam Player 不仅需要程序存储空间而且需要动态内存。程序存储空间（如硬盘驱动器或ROM）用于存储Jam Player 可执行二进制文件和Jam 文件；动态内存（如RAM）将在调用Jam Player的时候使用。

　　Jam Player 按照下面的步骤来使用内存：

　　（1）嵌入式处理器从ROM 中调用Jam Player；

　　（2）Jam Player 从ROM 中读取Jam 文件，然后把它存入RAM；

　　（3）Jam Player 对Jam 文件中包含的压缩程序数据解压，并将解压后的数据存入RAM；

　　（4）Jam Player 在RAM 中初始化符号表（symbol table）、堆栈（stack）和堆（heap）。

　　符号表包含Jam 文件的标记（labels）和变量（variables）；堆栈用于FOR 循环，CALL 和PUSH 语句；堆作为临时内存用于数学表达式的求值以及填充数据的存储。在处理Jam 文件时每碰到一个命令堆栈和堆大小都将增加，可用动态内存越来越少，而Jam 文件、解压缩后的数据以及符号表需要的动态内存空间在整个过程中则保持不变。

　　Jam Player 的内存使用情况如图2 所示。

图2 Jam Player 的内存使用情况[page]

　　2.3.1 程序存储空间（ROM）使用情况

　　所需程序存储空间为：

Jam Player的大小由使用的嵌入式处理器以及接口逻辑的复杂度决定，Jam文件总的程序存储空间由JTAG链上正在被编程的器件数量决定。如果JTAG链上只有一个器件，该器件对应Jam文件的大小即为所需程序存储空间的大小。Jam文件的大小还取决于目标器件，在压缩后一般在26K字节到30K字节。假设JTAG链中有3个器件，所有3个器件都将要编程，所需Jam文件存储空间将为3个Jam文件大小的总和。表1给出了单器件所需要程序存储空间的情况。

表1 单器件需要的程序存储空间

　　2.3.2 动态内存（RAM）的使用情况

　　所需RAM 空间为：

Jam 文件需要的RAM 空间与ROM 空间大小一样，在程序存储空间使用情况里已经讨论过了。在Jam Player从ROM 读出Jam 文件存储到RAM 之后，Jam Player 对Jam 文件里的压缩数据解压并将解压后的数据存储到RAM。解压后的数据占用RAM 空间的大小可以通过Jam 文件里的ACA 变量来得到。每个ACA 变量都在“变量声明/初始化”部分列出，每个数组的大小由变量声明方括号里的数值决定。例如：

说明解压后的ACA变量大小为434460比特，也就是大约53K字节。

　　符号表的大小由下式给出：

一个变量或标记名称的大小为48字节，JAM_C_MAX_SYMBOL_COUNT在jamdefs.h文件里定义，默认值为1021。实际上大多数Jam文件最多使用400个变量和标记名称。将JAM_C_MAX_SYMBOL_COUNT修改为400能节省一部分动态内存，

　　相比较Jam Player使用的总RAM空间大小而言堆栈和堆需要很少的RAM，jamdefs.h文件里的JAMC_MAX_NESTING_DEPTH常量定义堆栈的最大深度。表2给出了单器件所需要RAM空间的情况。

表2 单器件需要的RAM 空间

　　3 结论

　　本文通过软件、硬件以及内存的使用情况等方面的介绍，详细描述了一种通过嵌入式处理器使用Jam编程与测试语言对ISR器件重编程的新方法，为在产品原型及制造阶段对可编程逻辑器件重编程提供了参考，具有很强的实用意义。

　　本文作者创新点：由于在产品原型及制造阶段，单板上的JTAG接口很可能出于产品外形及内部结构设计的考虑已经无法与下载电缆相连接，此时将无法通过下载电缆对可编程逻辑器件重编程。而通过串行接口或以太网接口将可编程逻辑器件的更新程序发送到处理器，由处理器对可编程逻辑器件重编程，解决了这个难题。

　　参考文献

　　[1] 杜延,刘从越.嵌入式实时系统软件测试实践[J].微计算机信息,2007,4-2：86-88.

　　[2] Kamal,Raj.嵌入式系统：体系结构、编程设计[M].清华大学出版社,2005.

　　[3] 郑亚民,董晓舟.可编程逻辑器件开发软件QuartusII[M].国防工业出版社,2006.

　　[4] Stuart,R.Ball.嵌入式微处理器系统设计实例（第三版）[M].电子工业出版社,2004.

　　[5] 田泽.嵌入式系统开发与应用[M].北京航空航天大学出版社,2005.