CPLD器件的在系统动态配置

2 方案设计

系统硬件电路如图3所示。

  

MSP430单片机P2口作为配置接口，接到Lattice MACH4128V的JTAG口上，外挂一个E2PROM，用来存储HEX格式的VME文件。整个过程是，通过串口接收来自计算机的配置文件，放到E2PROM，接收完毕以后，单片机运行配置引擎，读取E2PROM，配置指令通过JTAG口对Lattice MACH 4128V进行配置。需要指出的是，Lattice MACH 4128V并没有用专门的引脚来控制进入配置模式或退出配置模式，而仅仅是通过TAP控制所处状态来决定的。IEEE1149.1标准中规定：器件加电时或应用中不利用边界扫描逻辑，强迫TAP控制器处于Test-Logic-Reset状态，因此在通过程序控制JTAG进行器件配置结束时，一定要通过软件方式强迫TAP控制器回到Test-Logic-Reset状态，下面提到的ispVMEnd()函数实现的就是这个功能。另外，当通过JTAG口完成器件配置或测试以后，TMS、TDI引脚器件内部上拉。虽然如此，为了防止TCK可能出现的信号使JTAG状态机离开Test-Logic-Reset状态，或者因为上电瞬间可能产生的TCK信号导致状态机进入未知状态，设计电路时必须在TMS引脚加4.7kΩ下拉电阻。另外，电路中Vcc=3.3V。

3 软件介绍

软件部分包括PC机程序和MSP430单片机程序。其中PC机程序将HEX格式的VME文件通过串口传送给单片机；MSP430单片机程序包括ispVM EMBEDDED，串口读写和E2PROM读写部分。

作为整个配置的核心，ispVM EMBEDDED主要由存储在E2PROM的VME文件驱动，从而将配置信息串行移入Lattice MACH 4128中。整个过程如下：首先，验证VME文件的版本，只有相应版本的ispVM EMBEDDED才能解释同样版本的VME文件，ispVMStart()函数强迫TAP状态机进入配置主引擎ispVMCode()，来自于VFME中的控制代码将驱动这个引擎执行相应操作，其中3个控制代码最为常见的STATE、SIR、SDR和STATE代码控制TAP状态机进入声明的状态，如Shift-DR、Shift-IR等。SIR代码表明将向器件中移入指令流，SDR代码表明将向器件中移入数据流。通过这种方式，配置主引擎ispVMCode()将VME中包含的配置信号器件从而完成配置，配置完成ispVMCode()返回一个配置成功与否的代码。最后ispVMEnd()强迫TAP状态机进入Test-Logic-Reset状态。

Void ispVMEnd(void){
IspVMStateMachine(RESET);/*TAP状态机进入Test-Logic-Reset状态*/
IspVMDelay(1);/*一段延时后，器件由配置模式切换到运行模式*/
}

事实上，作为专门针对嵌入式平台的配置工具ispVM EMBEDDED并不依赖于特定的硬件或系统平台，所以可以很容易地往用户自己的系统上移植。3个与硬件相关的函数需要用户自己改写，Readprot()从输入引脚读一个字节，Writeport()通过输出引脚向外发送一个字节，ispVMDelay()系统延时。在MSP430上的实现如下：

#define pinTDI 0x02 //定义P2.1为TDI
#define pinTDO 0x08 //定义P2.3为TDO
short int isp_pins用来存放当前JTAG口的引脚信号
unsigned char readPort(void){
unsigned char PortVal;
PortVal="P2IN"; //读取P2口
return ((unsigned char)(PortVal &pinTDO)?0x01:0x00));//返回TDO引脚信号
}

void writePort(unsigned char pins,unsigned char value){
if(value)
isp_pins=pins|isp_pins;//把isp-pins引脚置高
else
isp_pins=～pins&isp_pins;//把isp-pins引脚置低
P2OUT=isp_pins;
}

void ispVMDeay(unsigned short int delay_time){//delay_time来自于配置文件，通过它告诉配置引擎具体需要延时多久
if(delay_time &0xA000){//ms级延时
delay_time &=～0xA000;
}
else if(delay_time＞=1000)//如果是μs级，转换成ms级延时
delay_time=delay_time/1000;
else
delay_time=1;//延时小于1ms时，就延时1ms
PS1ms=delay_time;
CCTL0=CCIE; //开定时
while(PS1ms){};//在中断PS1ms
CCTL0&=～CCIE; //关定时
}

有一点需要指出，ispVM EMBEDDED要求将已转化成HEX格式的VME作为程序的一部分固化在单片机里。很显然，要想更换配置文件，就必须连同单片机程序一同换掉。这对实现动态配置是不利的，也是为什么在本方案中外加E2PROM的原因。这样无须更改程序，只换掉E2PRO中的配置文件即可。因此还需要更改GetByte()函数。

对24C512的操作应该遵循I2C总线协议，而在MSP430中没有I2C总线硬件，所以本方案中用软件方法模拟。由于I2C串行总线数据交换速度较慢，因而当从E2PROM中读出数据再往CPLD中移入时，形成了配置过程的速度瓶颈。在解决这个问题时，我们充分利用了MSP430149单片机内部2KB RAM，采用E2PROM最快的读取方式——顺序读，将配置数据预先读入到RAM中，GetByte()函数直接从RAM中读取数据。这种方法在一定程度上提高了配置速度。我们改写的GetByte()函数是这样的：

unsigned char GetByte()
{ unsigned char data;
static unsigned short int index="0";
……
if(index==0){ //有新的数据来自E2PROM
fp="wmeArray";//放在unsigned char vmeArray[1024]
}
data=*fp++;
if(index＜1024)
index++;
else {
index="0";
if((num+1024)＞totalnum是已经读取字节数)
ReadBlock(address,totalnum-num);//totalnum是整个配置文件字节数
}
else{
ReadBlock(address,1024);//从I2PROM的
address="adress"+1024;//adress地址开始读1024字节
}
}
return(data);
}

PC机上应用程序用Delphi7.0开发设计，利用专门的串口控件很容易开发出串口通信程序，从而将VME配置文件发送到MSP430。当配置完成以后由MSP430返回“配置成功”。