基于PLD和硬件描述語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在內(nèi)編程

作者：汪一鳴，徐清源，翁桂榮，胡子漣，王蓮蓮

1 問題的提出

自二十世紀(jì)80年代以來，可編程邏輯器件（PLD）技術(shù)發(fā)展非常迅速。由于PLD是作為一種通用器件生產(chǎn)的，而它的邏輯功能是由用戶通過對(duì)器件編程實(shí)現(xiàn)的，隨著PLD的集成度越來越高，速度越來越快，設(shè)計(jì)越來越方便靈活，因而日益成為專用集成電路ASIC設(shè)計(jì)的主流方法。特別是二十世紀(jì)90年代新一代在系統(tǒng)編程技術(shù)isp的推出，取消了專用編程設(shè)備，器件本身也不必從系統(tǒng)電路板上取下，便可以使用硬件描述語言和電路圖方法在系統(tǒng)內(nèi)編程。這一創(chuàng)舉使現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法前進(jìn)了一大步，設(shè)計(jì)周期大大縮短，效率大為提高，并且十分有利于產(chǎn)品的升級(jí)和更新?lián)Q代。

一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的自動(dòng)設(shè)計(jì)流程，可以分為四個(gè)階段。首先是對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析，利用原理圖或硬件描述語言表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖；第二是步利用仿真工具對(duì)設(shè)計(jì)者的想法進(jìn)行測(cè)試仿真，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷和錯(cuò)誤；第三步是將前兩步生成的文件進(jìn)行編譯并和具體器件相適配，生成具體芯片的融絲圖文件；最后一步就是將融絲圖文件通過編程電纜下載到包含有PLD的設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)物理的數(shù)字系統(tǒng)，如圖1（a）所示。

在這四個(gè)階段中，前三步都可以在計(jì)算機(jī)上使用不同軟件工具實(shí)現(xiàn)，而最后一步必須和具體的設(shè)備進(jìn)行連接，這意味著需要設(shè)計(jì)者親臨現(xiàn)場(chǎng)操作。設(shè)想如果產(chǎn)品發(fā)往外地，或是遠(yuǎn)涉重洋出口海外，就需要生成一個(gè)龐大的全球性售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)產(chǎn)品跟蹤或更新，這對(duì)中小企業(yè)來說根本不可想象。如何解決這個(gè)問題呢？我們想到了無所不能的互聯(lián)網(wǎng)。既然中小企業(yè)的原材料供應(yīng)、成品銷售等可以受益于互聯(lián)網(wǎng)，那么他們的技術(shù)性服務(wù)為什么不可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行呢？為此，我們利用互聯(lián)網(wǎng)及其TCP/IP協(xié)議開發(fā)研制了一個(gè)遠(yuǎn)程在系統(tǒng)編程工具，使工程技術(shù)人員足不出戶就可以對(duì)他們利用PLD研制生產(chǎn)的遠(yuǎn)在千里之外的電子系統(tǒng)、電子設(shè)備進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)，如圖1（b）所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本工具采用了客戶服務(wù)器模式，由兩個(gè)部分組成。一個(gè)在用戶計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，稱之為用戶端；另一個(gè)在設(shè)計(jì)者計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，稱之為設(shè)計(jì)端。軟件編制使用C++語言，在C Builder環(huán)境下設(shè)計(jì)。程序中使用C Builder中提供的網(wǎng)絡(luò)通信控件，實(shí)現(xiàn)客戶和服務(wù)器之間的通信。本工具程序框圖見圖2。

首先由用戶端將設(shè)備和計(jì)算機(jī)通過下載電纜（使用并行口）連接在一起，并啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行用戶端程序。用戶要做的就是這些，這些操作不需要任何專業(yè)知識(shí)。用戶端程序也不需要什么配置，只要它自動(dòng)掃描并發(fā)現(xiàn)接有設(shè)備的端口，并對(duì)之操作即可。

用戶端程序一旦運(yùn)行，設(shè)計(jì)端程序就可以啟動(dòng)。設(shè)計(jì)端首先輸入用戶端的IP地址，輸入不同的IP地址，就可以對(duì)不同的用戶端設(shè)備進(jìn)行操作。然后調(diào)入設(shè)計(jì)好的融絲圖文件，對(duì)文件的格式進(jìn)行檢查，顯示文件中的信息。文件中的信息指示該文件對(duì)哪些芯片編程，以及它們?cè)谠O(shè)備中的排列順序。

檢查正確后，就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，并把文件內(nèi)容發(fā)送給用戶端。在用戶端將融絲圖下載到PLD芯片的過程中，用戶端應(yīng)用程序回送下載進(jìn)度給設(shè)計(jì)端，設(shè)計(jì)端就可以顯示下載進(jìn)度。如果一切正常，下載完畢后就關(guān)閉連接，結(jié)束通信。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)端

設(shè)計(jì)端界面為一窗體，窗體上有一個(gè)命令菜單、一個(gè)編輯控制（輸入或顯示打開的文件路徑和文件名）、一個(gè)組合框（讓用戶選擇下載模式）、兩個(gè)顯示下載進(jìn)度和文件信息的備注控件，還有一個(gè)用于通信的客戶端套接字控件。

設(shè)置IP地址，點(diǎn)擊“命令/設(shè)置”時(shí)會(huì)顯示一個(gè)模式對(duì)話框。用戶可以在 “IP地址”編輯控制中輸入用戶端的IP地址，按“確定”該值將賦給客戶端套接字控件的屬性“Address”，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，將與擁有該IP地址的主機(jī)通信。在 “端口”編輯控制中輸入用戶端下載服務(wù)的TCP端口號(hào)，按“確定”將該值賦給套接字控件的屬性“Port”，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，將與指定主機(jī)的服務(wù)端口通信。

下載文件，直接在編輯控制中輸入文件名或點(diǎn)擊“打開文件”，通過對(duì)話框得到下載文件的路徑。每次選擇一個(gè)isp文件， 所謂isp文件，是將標(biāo)準(zhǔn)的融絲圖JED文件采用一定的壓縮算法生成的。它比標(biāo)準(zhǔn)的JED文件要小，這樣下載時(shí)速度要快些。為了能夠下載成功，要對(duì)文件格式和內(nèi)容進(jìn)行檢查。檢查依據(jù)的是isp文件的頭格式，包括文件類型、芯片鏈中芯片的個(gè)數(shù)、擦除脈沖寬度、編程脈沖寬度、編程行數(shù)、每行長(zhǎng)度、芯片ID列表等。文件的第一個(gè)字節(jié)只要是（0Xf8 0x0B 0x0F 0x0A中的一個(gè)，則該文件就是isp文件，不同數(shù)值分別代表不同類型的芯片和壓縮類型。

下載模式，文件選定后，必須選擇下載模式。共設(shè)四種模式：編程并校驗(yàn)、僅校驗(yàn)、僅校驗(yàn)UES、校驗(yàn)并顯示UES。其中UES是指存放在芯片中的用戶自定義信息，根據(jù)需要可以是設(shè)備的序列號(hào)或設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)等信息，而與芯片的功能沒有關(guān)系。

編程并校驗(yàn)，是指將文件內(nèi)容下載到芯片中，并在下載過程中從芯片讀出下載內(nèi)容，檢驗(yàn)是否下載正確。

僅校驗(yàn)，是指讀出芯片中的內(nèi)容，并與文件內(nèi)容進(jìn)行比較，檢驗(yàn)兩者是否一致。

僅校驗(yàn)UES，是指檢驗(yàn)文件中的UES信息與芯片中的是否一致。

校驗(yàn)并顯示UES，是指把文件中的UES信息與芯片中的UES內(nèi)容進(jìn)行比較，檢驗(yàn)兩者是否一致。若一致，則顯示UES內(nèi)容，否則提示校驗(yàn)錯(cuò)誤。

下載模式選定后，就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接了。選擇菜單“命令\連接”，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)連接的代碼。一旦連接成功，系統(tǒng)會(huì)發(fā)連接成功“CONNECTED”消息。收到此消息后，程序會(huì)在此連接上發(fā)送一個(gè)雙字。若該值為1，則表示將發(fā)送一個(gè)文件，否則表示雙方可以用鍵盤進(jìn)行對(duì)話。如果沒有選擇下載文件，將自動(dòng)進(jìn)入對(duì)話狀態(tài)。若是對(duì)話狀態(tài)，雙方可在窗體右邊的備注控件中輸入對(duì)話內(nèi)容，按回車鍵就會(huì)發(fā)送輸入內(nèi)容。若是下載狀態(tài)，緊接著會(huì)發(fā)送一個(gè)雙字，表示下載模式。然后會(huì)再發(fā)送一個(gè)雙字，表示文件的長(zhǎng)度，最后發(fā)送整個(gè)文件內(nèi)容。

用戶端收到全部?jī)?nèi)容后，開始下載。下載過程中用戶端把下載進(jìn)度發(fā)送給設(shè)計(jì)端，設(shè)計(jì)端收到后，將顯示收到的內(nèi)容。這樣，設(shè)計(jì)者就會(huì)看到下載進(jìn)度。

下載結(jié)束后，自動(dòng)進(jìn)入對(duì)話狀態(tài)。如果用戶端有人，雙方可以進(jìn)行簡(jiǎn)短對(duì)話，討論一些技術(shù)問題。

運(yùn)行“命令\斷開”，則關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)連接，結(jié)束本次下載過程。新的下載過程只要重新運(yùn)行“命令\連接”即可。

3.2 用戶端

用戶端窗體上有一個(gè)進(jìn)度條（顯示下載進(jìn)度）和兩個(gè)備注控件（顯示當(dāng)前用戶的工作狀態(tài)，以及交談時(shí)的輸入輸出）。用戶端需要完成的功能比設(shè)計(jì)端復(fù)雜。主要有數(shù)據(jù)的接收、設(shè)備的自動(dòng)識(shí)別、具體的下載過程等。

程序運(yùn)行后，在收到窗體創(chuàng)建消息時(shí)，將激活服務(wù)器套接字，并和TCP端口綁定，等待設(shè)計(jì)端進(jìn)程的連接。

只要運(yùn)行設(shè)計(jì)端“命令\連接”，就會(huì)在用戶端產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)連接的消息。連接成功后，與設(shè)計(jì)端對(duì)應(yīng)，收到的第一個(gè)雙字，代表本次連接是下載狀態(tài)還是對(duì)話狀態(tài)。若是1，則為下載，否則進(jìn)入對(duì)話狀態(tài)。若是對(duì)話狀態(tài)，直接在備注控件中輸入對(duì)話內(nèi)容，按回車鍵即可。對(duì)方的談話會(huì)在另一個(gè)備注控件中顯示出來。

若是下載文件（這是最常用的狀態(tài)），緊接著會(huì)收到一個(gè)雙字，代表下載模式（具體含義見前）。然后會(huì)再收到一個(gè)雙字，代表將要下載的文件長(zhǎng)度。若該值小于等于零，或等于0Xffffffff計(jì)算機(jī)中的-1，則提示發(fā)送方有錯(cuò)，并關(guān)閉本次連接，否則將會(huì)接收全部文件內(nèi)容。文件的結(jié)束是靠文件長(zhǎng)度與收到字節(jié)數(shù)進(jìn)行比較，相等表示全部收到。全部收到后，即進(jìn)行下載。

編程電纜，下載過程與硬件密切相關(guān)，我們使用編程電纜（共8根線？使用其中的7根）與并行口連接。每個(gè)并行口有三個(gè)端口：數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制端口，每個(gè)端口占一個(gè)字節(jié)。具體定義如下：

在電纜內(nèi)部將并行口的8腳與12腳直接連接，用于檢測(cè)電纜是否已插到并行口上。向數(shù)據(jù)端口的第6位寫數(shù)據(jù)，再從狀態(tài)端口第5位讀入數(shù)據(jù)，比較兩者是否一致，即可得知下載電纜是否連接。圖3給出了編程電纜及接插件的端口定義。

其它信號(hào)的含義及作用如下：

out_SDI 將isp數(shù)據(jù)從此腳串行輸出到芯片上；

out_SCLK 控制下載過程的時(shí)鐘信號(hào)；

out_MODE 將isp命令從此腳串行輸出到芯片上；

out_ISP 控制芯片在正常工作模式和編程模式

之間切換；

in_SDO 從芯片上串行讀出isp數(shù)據(jù)；

in_VCC_OK 用于檢測(cè)設(shè)備電源是否打開。 下載的流程圖見圖4。

下載開始首先掃描三個(gè)并行口端口。利用信號(hào)in_CABLE_SENSE_IN和in_VCC_OK檢測(cè)設(shè)備是否和計(jì)算機(jī)連接以及電源是否打開，兩個(gè)信號(hào)同時(shí)有，則表示該端口連接有設(shè)備。如果找不到設(shè)備，就給出提示并中斷這次下載過程。再檢查文件的類型，看設(shè)計(jì)端發(fā)送來的文件是否為合法的isp文件。否則給出提示并中斷這次下載過程。若合法，則接著讀出被編程芯片的編程、擦除時(shí)間以及編程行數(shù)等信息。其中編程和擦除時(shí)間的控制，是利用多媒體定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的脈沖延遲，保證擦除、編程的可靠性。隨后從芯片中讀出該設(shè)備中含有的芯片ID列表（ID列表與芯片型號(hào)有關(guān)），并與設(shè)計(jì)端的值進(jìn)行比較。若一致可以繼續(xù)下載；否則給出提示并中斷本次下載過程。因?yàn)樾酒斜聿灰恢拢瑢?dǎo)致設(shè)備根本不能工作。

下載時(shí)，通過out_SDI端將數(shù)據(jù)一個(gè)比特一個(gè)比特地串行輸出到芯片中，并從SDO端讀出剛寫入芯片的數(shù)據(jù)，與文件中應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地寫入到芯片中。

4 出錯(cuò)處理

錯(cuò)誤的處理是軟件設(shè)計(jì)中十分重要的一個(gè)方面，本軟件同樣充分考慮各種意外和錯(cuò)誤，使得錯(cuò)誤的影響得到很好控制。本軟件中最主要的出錯(cuò)處理就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤的處理，如設(shè)計(jì)端用戶輸入的IP地址或端口號(hào)不正確等。

C Builder中的網(wǎng)絡(luò)控件提供了出錯(cuò)的消息，對(duì)于因網(wǎng)絡(luò)連接、連接中斷或網(wǎng)絡(luò)超時(shí)等引起的問題，該消息都會(huì)被觸發(fā)。消息被觸發(fā)時(shí)，在消息處理函數(shù)中將一些變量重新初始化，并關(guān)斷網(wǎng)絡(luò)連接。值得一提的是，因計(jì)算機(jī)IP地址的設(shè)置而產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤消息將不會(huì)發(fā)給控件，例如：計(jì)算機(jī)的子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，本機(jī)地址為202.195.168.1，不設(shè)置網(wǎng)關(guān)。在這樣的配置下，如果與IP地址為202.195.200.1的主機(jī)進(jìn)行連接，將會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤“子網(wǎng)不可到達(dá)”？而控件卻收不到這個(gè)消息。此時(shí)必須調(diào)用SetErrorProc，指定自己定義的網(wǎng)絡(luò)意外處理過程來替代默認(rèn)過程。新過程將捕獲所有網(wǎng)絡(luò)意外，從而避免該消息的遺漏。

另外對(duì)下載過程中出現(xiàn)的各種不正常情況都做了檢測(cè)，例如：下載電纜沒有連接、設(shè)備電源沒有打開、器件列表不符和校驗(yàn)錯(cuò)誤等。當(dāng)檢測(cè)到這些錯(cuò)誤時(shí)，由于用戶端無人值守，因此將錯(cuò)誤信息回送設(shè)計(jì)端，并用適當(dāng)?shù)男问斤@示給設(shè)計(jì)者，以便設(shè)計(jì)人員做進(jìn)一步處理。

5 應(yīng)用范圍及前景

該工具可供所有使用PLD器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)電子產(chǎn)品及系統(tǒng)設(shè)備的公司或廠家使用。對(duì)于他們拓展業(yè)務(wù)范圍、提升產(chǎn)品價(jià)值、增加產(chǎn)品的信息技術(shù)含量、降低生產(chǎn)成本、爭(zhēng)取更多用戶、以信息化帶動(dòng)工業(yè)化等都具有深刻意義。

該工具也可供開設(shè)數(shù)字邏輯電路和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的相關(guān)學(xué)校使用，為教師在局域網(wǎng)上指導(dǎo)和批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)提供了方便，并可以把學(xué)生從都做同樣的單一實(shí)驗(yàn)這種傳統(tǒng)模式中解放出來，有利于針對(duì)不同學(xué)生給出不同要求，同時(shí)也降低了教學(xué)成本。特別對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)而言，該工具為一直困擾工科院校的網(wǎng)上教學(xué)等問題提供了一種具有開拓意義的方法。隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們相信類似的應(yīng)用將成為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域。

責(zé)任編輯：gt