基于CPLD的USB下載電纜設計

　　引 言

　　隨著(zhù)片上系統(SoC，System on Chip)時(shí)代的到來(lái)，包括復雜可編程邏輯器件(CPLD，Complex ProgrammableLogic Devi(e)和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)的可編程邏輯器件(具有在系統可再編程的獨特優(yōu)點(diǎn))，應用越來(lái)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IEEEll49．1標準的USB下載接口電路的設計及實(shí)現。針對Altera公司的FPGA器件Cy-ckone，通過(guò)分析它的邊界掃描測試結構和各種JTAG指令，研究它的編程過(guò)程和編程特點(diǎn)，并提出設計方案。在接口電路硬件設計中，選用FTDI公司的USB控制芯片FT2蠣BM，實(shí)現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)現接口邏輯。與傳統的基于PC并口的下載電纜相比，本設計的USB下載接口電路具有支持熱插拔、體積小、便于攜帶、降低對PC硬件傷害、編程速度快等明顯優(yōu)點(diǎn)。

　　目前已開(kāi)發(fā)的USB下載線(xiàn)一般需要在主機端另行設計軟件來(lái)控制與下載線(xiàn)及目標器件之間的通信和數據傳送；但是這樣不僅繁瑣，而且可能由于PC機操作系統的不同而影響兼容性。本文討論的USB下載線(xiàn)能在A(yíng)1tera公司的QuartusII開(kāi)發(fā)環(huán)境下直接使用，無(wú)須在主機端另行設計通信軟件。

　　1 系統結構及工作原理

　　接口電路的整體結構框圖如圖l所示。由于USB下載電路涉及了IEEEll49．1標準和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口之間的數據格式轉換，用USB控制芯片實(shí)現。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之間數據的轉換，轉換邏輯通過(guò)對可編程邏輯器件進(jìn)行設計來(lái)實(shí)現。其他還包括一些必要的時(shí)鐘電路和電壓轉換電路。

　　從主機傳來(lái)的USB數據，由USB控制芯片轉換為8位并行數據，經(jīng)數據總線(xiàn)送到CPLD的可編程I／O引腳。CPLD的數據也可以通過(guò)數據總線(xiàn)送回USB控制芯片，然后轉換為USB的數據格式傳回主機。CPLD收到USB控制芯片傳送來(lái)的數據后，對數據進(jìn)行解析，然后轉換為符合IEEEll49．1標準的編程數據和指令，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IEEEll49．1標準的校驗數據從TDO串行輸入到CPLD，轉換為8位并行數據傳送給USB控制芯片，最后返回主機進(jìn)行校驗。

　　USB控制芯片FT245BM負責解釋USB協(xié)議，完成雙方數據通信。其內部有USB協(xié)議引擎，并且集成的電平轉換器使FIFO和控制信號能與電壓為5 V、3．3 V的邏輯器件接口。USB接口電路原理如圖2所示。

　　2 對目標器件的配置過(guò)程

　　對目標器件的配置流程如圖3所示。

　　(1)識別USB下載接口

　　Quanus II編程器通過(guò)PC的USB接口向FT245BM依次發(fā)7e、7f、7c三個(gè)數據。FT245BM經(jīng)PC的USB接口向編程器依次返回3個(gè)數據03。在編程器收到返回的3個(gè)03以后，編程器就識別此USB下載接口電路為它的下載硬件平臺。

　　(2)測試BST電路

　　測試包括以下幾個(gè)方面：

　　復位測試；
　　指令寄存器移位測試；
　　標志寄存器移位測試。
　　
　　(3)下載編程數據

　　這個(gè)步驟把所有的編程數據從PC下載進(jìn)可編程邏輯器件的配置存儲器。因為這一步驟下載的編程數據龐大，所以下載時(shí)采用特快模式，并且不進(jìn)行校驗，避免影響下載速度。下載選用的指令是Ahcra公司自己定義的DOWNLOAD指令(00 0000 0010)。

　　(4)內建自測試

　　內建自測試是在電路內部建立測試生成、施加、分析和測試控制結構，使得電路能夠測試自己。

　　(5)校驗器件的IDCODE

　　在整個(gè)編程流程結束以前，再一次校驗器件的ID—CODE，確認器件的BST電路在下載編程數據后足否工作正常。這一步的過(guò)程和標志寄存器移位測試完全相同。

　　(6)返回測試邏輯復位狀態(tài)

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

　　結語(yǔ)

　　本文所討論的USB數據下載線(xiàn)能在A(yíng)ltera公司的QuartusII開(kāi)發(fā)環(huán)境下直接使用，無(wú)須另行開(kāi)發(fā)主機端通信程序。與傳統并幾的編程方式相比，優(yōu)勢十分明顯：支持熱插拔，使用更方便；體積更小，攜帶方便；編程速度更快，節約時(shí)間。為國際數字系統設計領(lǐng)域內正蓬勃興起的在線(xiàn)編程(ISP)技術(shù)的推廣與發(fā)展提供了有力的支持。