利用CPLD的USB下載電纜設(shè)計(jì)

討論如何設(shè)計(jì)、制作一種在QuartusII programer環(huán)境下使用的低成本的USB數(shù)據(jù)下載電纜——USBblaster。根據(jù)IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)、USB協(xié)議以及JTAG邊界掃描原理，通過解析QuartusII內(nèi)部通信機(jī)制，使用USB芯片和CPLD結(jié)合，提出一種USB接口電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)的并口、串口下載電纜相比，其在下載速度和靈活性上都有很大優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞 下載電纜 USB CPLD FPGA ISP JTAG

引言

　　隨著片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip）時(shí)代的到來，包括復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD，Complex Programmable Logic Device）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）的可編程邏輯器件（具有在系統(tǒng)可再編程的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)），應(yīng)用越來越廣泛。這給用于可編程邏輯器件編程的下載電纜提出了更高的要求。

　　本文研究基于IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的USB下載接口電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。針對(duì)Altera公司的FPGA器件Cyclone，通過分析它的邊界掃描測試結(jié)構(gòu)和各種JTAG指令，研究它的編程過程和編程特點(diǎn)，并提出設(shè)計(jì)方案。在接口電路硬件設(shè)計(jì)中，選用FTDI公司的USB控制芯片FT245BM，實(shí)現(xiàn)USB物理層和鏈路層協(xié)議的解析；Altera公司的可編程邏輯器件EPM7064實(shí)現(xiàn)接口邏輯。與傳統(tǒng)的基于PC并口的下載電纜相比，本設(shè)計(jì)的USB下載接口電路具有支持熱插拔、體積小、便于攜帶、降低對(duì)PC硬件傷害、編程速度快等明顯優(yōu)點(diǎn)。

　　目前已開發(fā)的USB下載線一般需要在主機(jī)端另行設(shè)計(jì)軟件來控制與下載線及目標(biāo)器件之間的通信和數(shù)據(jù)傳送；但是這樣不僅繁瑣，而且可能由于PC機(jī)操作系統(tǒng)的不同而影響兼容性。本文討論的USB下載線能在Altera公司的QuartusII開發(fā)環(huán)境下直接使用，無須在主機(jī)端另行設(shè)計(jì)通信軟件。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　接口電路的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于USB下載電路涉及了IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)和USB協(xié)議，所以接口電路主要包含兩大部分。一部分是USB接口，它連接主機(jī)和可編程邏輯器件，主要功能是進(jìn)行USB和并行I/O口之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，用USB控制芯片實(shí)現(xiàn)。另一部分是JTAG接口，它連接USB控制芯片和需要編程的邏輯器件，主要功能是進(jìn)行并行I/O口和JTAG之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換邏輯通過對(duì)可編程邏輯器件進(jìn)行設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。其他還包括一些必要的時(shí)鐘電路和電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖1? 接口電路整體結(jié)構(gòu)框圖

　　從主機(jī)傳來的USB數(shù)據(jù)，由USB控制芯片轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)總線送到CPLD的可編程I/O引腳。CPLD的數(shù)據(jù)也可以通過數(shù)據(jù)總線送回USB控制芯片，然后轉(zhuǎn)換為USB的數(shù)據(jù)格式傳回主機(jī)。CPLD收到USB控制芯片傳送來的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后轉(zhuǎn)換為符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的編程數(shù)據(jù)和指令，從TCK、TMS和TDI串行輸出到要編程的可編程邏輯器件。從可編程邏輯器件返回的符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)從TDO串行輸入到CPLD，轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)傳送給USB控制芯片，最后返回主機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)。

　　USB控制芯片F(xiàn)T245BM負(fù)責(zé)解釋USB協(xié)議，完成雙方數(shù)據(jù)通信。其內(nèi)部有USB協(xié)議引擎，并且集成的電平轉(zhuǎn)換器使FIFO和控制信號(hào)能與電壓為5 V、3.3 V的邏輯器件接口。USB接口電路原理如圖2所示。

圖2? USB接口電路原理

2? 對(duì)目標(biāo)器件的配置過程

　　對(duì)目標(biāo)器件的配置流程如圖3所示。

圖3? 對(duì)目標(biāo)器件配置流程

（1）? 識(shí)別USB下載接口
　　QuartusII編程器通過PC的USB接口向FT245BM依次發(fā)7e、7f、7e三個(gè)數(shù)據(jù)。FT245BM經(jīng)PC的USB接口向編程器依次返回3個(gè)數(shù)據(jù)03。在編程器收到返回的3個(gè)03以后，編程器就識(shí)別此USB下載接口電路為它的下載硬件平臺(tái)。

（2）? 測試BST電路
　　測試包括以下幾個(gè)方面：
　　◇ 復(fù)位測試；
　　◇ 指令寄存器移位測試；
　　◇ 標(biāo)志寄存器移位測試。

（3）? 下載編程數(shù)據(jù)
　　這個(gè)步驟把所有的編程數(shù)據(jù)從PC下載進(jìn)可編程邏輯器件的配置存儲(chǔ)器。因?yàn)檫@一步驟下載的編程數(shù)據(jù)龐大，所以下載時(shí)采用特快模式，并且不進(jìn)行校驗(yàn)，避免影響下載速度。下載選用的指令是Altera公司自己定義的DOWNLOAD指令（00 0000 0010）。

（4）? 內(nèi)建自測試
　　內(nèi)建自測試是在電路內(nèi)部建立測試生成、施加、分析和測試控制結(jié)構(gòu)，使得電路能夠測試自己。

（5）? 校驗(yàn)器件的IDCODE
　　在整個(gè)編程流程結(jié)束以前，再一次校驗(yàn)器件的IDCODE，確認(rèn)器件的BST電路在下載編程數(shù)據(jù)后是否工作正常。這一步的過程和標(biāo)志寄存器移位測試完全相同。

（6）? 返回測試邏輯復(fù)位狀態(tài)
　　保持TMS為高6個(gè)TCK周期，使TAP控制器進(jìn)入測試邏輯復(fù)位狀態(tài)，并且讓TMS保持為高電平，以保持測試邏輯復(fù)位狀態(tài)。這樣器件的測試邏輯失效，器件的核心邏輯開始正常工作。

結(jié)語

　　本文所討論的USB數(shù)據(jù)下載線能在Altera公司的QuartusII開發(fā)環(huán)境下直接使用，無須另行開發(fā)主機(jī)端通信程序。與傳統(tǒng)并口的編程方式相比，優(yōu)勢(shì)十分明顯：支持熱插拔，使用更方便；體積更小，攜帶方便；編程速度更快，節(jié)約時(shí)間。為國際數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)正蓬勃興起的在線編程（ISP）技術(shù)的推廣與發(fā)展提供了有力的支持。

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向俊(碩士研究生），主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

（收稿日期：2007-01-22）