基于USB-JTAG接口转换的嵌入式系统Flash编程

liyf · 发表于 2014-9-27 16:36:45

　　1 引言
　　在嵌入式系统的设计中，为了提高执行速度和系统的可靠性，操作系统和应用程序的软件代码一般都固化在非易失性存储器中，如 ROM，EPROM，EEPROM和 Flash。其中， Flash以其可擦写次数多、存储速度快、容量大及价格便宜等优点在嵌入式领域得到广泛的应用。在嵌入式系统的开发阶段，要进行大量的程序调试，这也就意味着这要对 Flash进行反复的擦写。因此，如何对 Flash编程，成为许多嵌入式系统开发中必要的一环。在这种背景下，利用 JTAG边界扫描结构访问芯片成为一种对嵌入式系统 Flash编程的途径。另一方面，传统的开发工具中大多支持的是并口或串口，但现在的计算机上接口越来越单一，很多主板都不再支持并口、串口，即插即用的 USB接口却因为其速度快，使用方便而得到了广泛应用和关注。本文介绍了一种符合嵌入式和计算机发展趋势的 Flash编程方案，即基于 USB到 JTAG接口转换的嵌入式系统 Flash编程。 2 JTAG测试原理
　　JTAG (Joint Test Action Group)是 1985年制定的检测 PCB和 IC芯片的一个标准， 1990年被修改后成为 IEEE的一个标准，即 IEEE1149.1-1990。通过这个标准，可对具有 JTAG口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。
　　2.1管脚定义
　　JTAG接口主要包括 TCK、TMS、TDI、TDO和可选的 TRST#等管脚。各管脚的功能定义如下：
　　(1)测试时钟输入 TCK。为 TAP控制器和各个寄存器提供时钟基准。TCK与系统时钟相互独立。
　　(2)测试模式选择 TMS。在 TCK的上升沿时刻，TMS的状态决定了 TAP控制器的下一个工作状态；
　　(3)测试数据输入 TDI。指令和数据寄存器的串行数据输入端，在 TCK的上升沿时刻采样。
　　(4)测试数据输出 TDO。指令和数据寄存器的串行数据输出端，在 TCK的下降沿时刻移出。
　　(5)测试复位输入 TRST#。可选信号，低电平有效，提供 TAP控制器的异步初始化信号。
　　2.2 TAP控制器
　　TAP控制器是一个具有 16种状态的有限状态机，每一种状态的转换都是由 TCK和 TMS来触发的，TCK上升沿时刻 TMS的值决定了 TAP的下一个工作状态。测试数据和指令的传输、执行都必须在 TAP控制器进入相应的状态后才能进行。
　　2.3 边界扫描寄存器
　　JTAG 标准定义了一个串行的移位寄存器。寄存器的每一个单元分配给芯片的相应引脚，每一个独立的单元称为 BSC(Boundary-Scan Cell)边界扫描单元。这个串联的 BSC在 IC内部构成 JTAG回路，所有的 BSR(Boundary-Scan Register)边界扫描寄存器通过 JTAG测试激活，平时这些引脚保持正常的功能。
　　2.4 指令系统
　　JTAG接口的指令用于控制测试电路进行各种操作。JTAG接口的指令系统包括基本指令和扩展指令，JTAG兼容的芯片至少要包含下列指令：
　　(1) BYPASS指令：选择旁路寄存器连接 TDI和 TDO，在 TDI和 TDO之间提供一条长度最短的串列路径，这样允许测试资料可以快速的通过。
　　(2) SAMPLE/PRELOAD指令：采样 /预加载数据指令，用于采样芯片管脚信号或预加载数据以控制输出管脚。
　　(3) EXTEST指令：片外电路测试指令，用于测试芯片间的互连，这是通过 JTAG口对 Flash进行编程的核心指令。
　　2.5 BSDL边界描述语言
　　BSDL(boundary scan description language)边界描述语言是硬件描述语言 VHDL的一个子集，是对兼容 JTAG接口的芯片的边界扫描特性的描述，主要用来沟通边界扫描器件厂商、用户与测试工具之间的联系。它主要描述了芯片的 JTAG指令系统、BSC与芯片管脚的对应关系等特性。 3 应用实例
　　在本设计中，采用基于 USB-JTAG接口转换的嵌入式系统 Flash编程，其系统连接方式如图 1所示。

　　JTAG 下载电缆一端连接主机的 USB接口，另一端连接目标板上的 JTAG接口，通过电缆上的 USB-JTAG接口转换模块实现协议转换。目标板上的 Flash由地址、数据和控制总线挂接到兼容 JTAG的嵌入式处理器上，在这种连接方式下，只需要控制嵌入式处理器模拟 Flash的编程时序，便可对 Flash进行在线编程。
　　3.1 硬件设计
　　(1)接口转换模块设计
　　USB到 JTAG的接口转换采用 FTDI的 FT2232芯片，其工作频率可达 6M，电路设计如图 2所示。

　　(2)嵌入式处理器
　　本设计中处理器采用 IBM PowePC405GP。PPC405GP是一款基于 RISC精简指令集的 32位嵌入式处理器，频率为 266 MHz。在数据手册和 BSDL描述文件中可知其指令寄存器长度为 7 bit，数据寄存器边界扫描链长度为 357位。
　　(3) Flash
　　本设计中 Flash采用 Intel的 28F320J3A110，大小为 32 Mbit，有х 8和х16 bit两种位宽模式，在系统中配置成х 16 bit模式。该 Flash符合 CFI规范，只需按一定时序向特定地址写入特定的指令序列，即可启动内部状态及，使其自动完成要求的内部操作。其部分指令序列如下表所示。

　　3.2 软件设计
　　对 Flash的编程包括读、写、擦除等操作，根据写入不同的指令序列实现相应的功能。程序首先要初始化 USB-JTAG接口转换模块，然后使 JTAG进入 Run-Test-Idle状态。分别读取并校验 JTAG芯片和 Flash芯片的 ID，再将指定的指令序列写入 Flash完成操作。根据 PowerPC 405GP的 BSDL描述文件，该处理器有 357个扫描链单元，包括地址单元，数据单元和一些控制单元等，应分别控制每一个单元，使其工作在正常的状态下，为了操作方便，需要对这部分函数进行必要的封装。以进行读操作为例，部分的程序算法如下。
双击代码全选

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main ()
{
WriteDataBuffer_t WriteDataBuffer;
Convert_Module_Init (); // 初始化USB-JTAG 接口转换模块
JTAG_ Reset (); // 使JTAG 回到TEST - LOGIC - RESET 状态
// 使JTAG 进入SHIFT - IR 状态
JTAG_State_Shift (TEST_LOGIC_RESET, SHIFT_IR);
WriteDataBuffer = 0x00;
JTAG_Write(WriteDataBuffer, 7); // 移入EXTEST 指令，即0000000B
JTAG_ State_Shift (SHIFT_IR, TEST_LOGIC_RESET);
// 使JTAG 进入SHIFT - DR 状态
JTAG_ State_Shift (TEST_LOGIC_RESET, SHIFT_DR);
// 将0xFF 写入地址0x00, W_OPER 表示inout 双向管脚处于写模式(out)
CPU_Set_BSR (0xFF, 0x00, W_OPER, & WriteDataBuffer);
JTAG_Write(WriteDataBuffer, 357); // 串行移入扫描链单元
JTAG_ State_Shift (SHIFT_DR, TEST_LOGIC_RESET);
}

　　部分函数的声明和算法如下：
双击代码全选

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void JTAG_Reset (void) // 使JTAG 回到TEST - LOGIC - RESET 状态
{
int i;
WriteDataBuffer_t WriteDataBuffer = 0x01;
for (i = 0; i <5 ; i ++)
{
JTAG_Write (WriteDataBuffer, 1) ;
}
}
void JTAG_ State_Shift (J_State_t From_S, J_State_t To_S)
{
// 根据状态机和参数输入，从From_S 状态转移到To_S 状态
}
void JTAG_Write (WriteDataBuffer_t WriteDataBuffer, int Len)
{
// 根据Len 指定的长度，把WriteDataBuffer 中的数据通过TDI 串行移出
}
void CPU_Set_BSR (U32 Data, U32 Addr, Oper_t Oper, WriteDataBuffer_t * WriteDataBuffer)
{
// 根据输入参数，对CPU 扫描链单元赋值
}

　　3.3 性能
　　影响 Flash编程性能的主要因素有边界扫描链的长度、 JTAG的时钟频率、数据宽度， Flash的操作周期数等。以本设计为例，嵌入式处理器 IBM PowerPC 405GP的边界扫描长度为 357，Intel 28F320J3A110 Flash的位宽为 16 bit，容量为 32 Mbit，采用两片 Flash进行位宽扩展，则数据宽度为 32 bit，容量为 64 Mbit，JTAG时钟为 6 MHz，对整片 Flash编程
　　的性能如下表所示：

　　4 结论
　　在嵌入式系统的开发过程中，使用 JTAG接口对 Flash进行在线编程不需要其它附加设备的支持，降低了系统开发的成本，而且简单可行，速度较快，程序扩展简单，符合嵌入式发展的趋势。而且随着 USB接口越来越广泛的应用，研究基于 USB-JTAG接口转换的嵌入式系统 Flash编程对嵌入式产品的开发和调试具有重要意义。参考文献：
　　[1] IEEE 1149.1-1990, Standard test access port and boundary scan architecture [S].
　　[2] IBM Corporation, PowerPC 405GP Embedded Processor Users’ Manual [M], 2003.
　　[3] Boundary Scan Descriptor Language (BSDL) for PPC405GP, www.ibm.com.
　　[4] Intel Corporation, 28F128J3A/28F640J3A/28F320J3A Preliminary Datasheet [M], 2001.
　　[5] Intel Corporation, AP – 630, Designing for On-Board Programming Using the IEEE 1149.1 (JTAG) Access Port, 1996.
　　[6] 李春光，赵月，王旭春.嵌入式微处理器与 FLASH闪存的接口设计实现[J]. 微计算机信息，2006，7-2: 154-157.
　　本文作者创新点：作者采用 JTAG接口标准，并设计和实现了 USB到 JTAG的协议转换模块，巧妙地利用 USB接口模拟 JTAG接口的编程时序，从而实现了方便、快捷的 Flash在线编程。