嵌入式系统中的JTAG接口编程技术.pdf

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1、电子技术应用!#年第#!期随 着 手 持 式 电 子 设 备 的 迅 猛 发 展，手 机、$%&、掌上 电 脑、电 子 书 和 数 码 相 机 等 正 在 快 步 走 进 人 们 的 日常 生 活。这 一 类 电 子 产 品 同 属 于 嵌 入 式 系 统 的 范 畴，都 是 以 高 性 能 的 微 处 理 器 为 核 心 扩 展 相 应 的 存 储 器和 功 能 电 路，运 行 小 巧 的 操 作 系 统 和 相 应 的 应 用 程序，实 现 电 子 设 备 的 各 种 功 能。由 于 是 手 持 设 备，因而 要 求 体 积 小、重 量 轻、耗 电 少。这 些 特 点 决 定 了 设备 内

2、 部 的 印 制 板 的 尺 寸 比 常 规 电 子 设 备 小 得 多，而 且元 器 件 密 度 大，双 面 贴 装。这 给 设 计 人 员 带 来 了 若 干问 题，如 操 作 系 统 代 码 和 应 用 程 序 的 写 入，板 上 芯 片的 测 试 等。本 文 作 者 结 合 实 际 工 作，就 嵌 入 式 系 统 中如 何 通 过(&)接 口 进 行*+&,-芯 片 编 程 作 了 探 讨。!几种常用的芯片编程方法在 嵌 入 式 系 统 开 发 和 产 品 生 产 过 程 中，对 系 统 程序 存 储 器 编 程 主 要 使 用 三 种 编 程 方 法：通 过 编 程 器 编程、使 用

3、 板 上 编 程 器 编 程 和 在 系 统 编 程。!通 过 编 程 器 编 程这 是 在$./0、1$./0、$&+等 芯 片 流 行 时 常 用 的传 统 编 程 方 法，即 在 可 编 程 芯 片 焊 装 到 电 路 板 之 前，使 用 专 门 的 编 程 器 对 芯 片 进 行 代 码 或 数 据 的 写 入，然后 将 已 编 程 的 芯 片 安 装 到 电 路 板 上。使 用 编 程 器 进 行 编 程 特 别 适 合 于%2$封 装 的 芯片，如 果 是 其 它 类 型 的 封 装，则 必 须 使 用 相 应 的 适 配器。这 种 方 法 的 缺 点 是 需 要 手 工 进 行

4、待 编 程 芯 片 的 插入、锁 定 等 工 作，容 易 造 成 芯 片 方 向 错 误、引 脚 错 位等，导 致 编 程 效 率 降 低。!#使 用 板 上 编 程 器 编 程（$%&）这 种 方 法 是 在 电 路 板 上 所 有 芯 片 已 经 焊 装 完 毕后，再 对 板 上 的 可 编 程 芯 片 进 行 编 程。通 过 专 用 电 缆将 电 路 板 与 外 部 计 算 机 连 接，由 计 算 机 的 应 用 程 序 进行 板 上 可 编 程 芯 片 的 代 码 或 数 据 写 入。芯 片 擦 除、编程 所 需 要 的 电 源、控 制 信 号、地 址、数 据 和 相 关 命 令都 由

5、 板 外 的 编 程 控 制 器 提 供。在 进 行 板 上 编 程 时，需要 通 过 专 门 的 辅 助 电 路 关 断 目 标 板 上3$4的 电 源 或将 其 外 部 接 口 信 号 设 置 为 高 阻 状 态，以 免 与 编 程 时 的地 址、数 据 和 控 制 信 号 发 生 冲 突。在 板 上 编 程 可 以 克 服 芯 片 引 脚 错 位、方 向 插 反 等问 题，避 免 烧 毁 芯 片、编 程 错 误，保 证 了 芯 片 编 程 的高 成 功 率 和 可 靠 性。另 一 个 优 点 就 是 及 时 软 件 升 级，可 以 做 到 在 产 品 出 厂 时 系 统 使 用 最 新

6、版 本 的 固 化 软件，这 对 于 日 新 月 异 的 手 持 电 子 设 备 而 言 是 必 须 的。这 种 方 法 的 缺 点 是 需 要 在 电 路 板 上 设 计 编 程 用的 接 口、隔 T D(方)T j 1.2 7 2 0 T D(法)T 0 T D(化 0 T D(法)T 0 T D T D(这)T 较)T j 1.T D(，1.5 9 8 T D)T 较电子技术应用!#年第#!期处理。它 虽然是一个主要用于片上电路的测试标准，但却打开了各种相关应用的大门。这 个 标 准 定 义 了 可 用于 完 成 功 能 和 互 连 测 试 以 及 内 建 自 测 过 程 的 各 种 指

7、令。芯 片 生 产 厂 商 如$%&($、)*%*+)、$&,%、$,-、&*等 对 标 准 进 行 了 扩 充，使 用 扩 展 的 专 用 指 令执 行 维 护 和 诊 断 应 用 及 对 可 配 置 器 件 的 可 编 程 算 法，使.&$/接口广泛用于0%$12系列芯片的编程。概括起来，.&$/接口主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在系统编程。!#$%&接 口 的 结 构在 硬 件 结 构 上，.&$/接 口 包 括 两 部 分：.&$/端 口和 控 制 器。与.&$/接 口 兼 容 的 器 件 可 以 是 微 处 理 器（,34）、微 控 制 器（,54）、3%-、53%、0

8、3/$、$1*5或 其它 符 合*#678#规 范 的 芯 片。*#678#标 准中 规 定 对 应 于 数 字 集 成 电 路 芯 片 的 每 个 引 脚 都 设 有一 个 移 位 寄 存 单 元，称 为 边 界 扫 描 单 元915。它 将.&$/电 路 与 内 核 逻 辑 电 路 联 系 起 来，同 时 隔 离 内 核逻 辑 电 路 和 芯 片 引 脚。由 集 成 电 路 的 所 有 边 界 扫 描 单元 构 成 边 界 扫 描 寄 存 器91(。边 界 扫 描 寄 存 器 电 路 仅在 进 行.&$/测 试 时 有 效，在 集 成 电 路 正 常 工 作 时 无效，不 影 响 集 成

9、电 路 的 功 能。具 有.&$/接 口 的 芯 片 内部 结 构 如 图#所 示。测 试 逻 辑 的 最 高 级 电 路 包 括:个 主 要 模 块：测 试 访 问 端 口（&$3）控 制 器&$3控 制 器 提 供 对 嵌 入 在.&$/兼 容 器 件 内 部 的测试功能电路的访问 控 制，是 一 个 同 步 状 态 机。每 个.&$/兼容的器件都有 自 己 的&$3控 制 器。通 过 测 试模式选择&,1和时钟信号&5;控制其状态转移，实现由*#678#标准确定的测试逻辑电路的工作时序。指 令 寄 存 器指 令 寄 存 器 是 基 于 电 路 的 移 位 寄 存 器，通 过 它 可以 串

10、 行 输 入 执 行 各 种 操 作 的 指 令。数 据 寄 存 器 组数 据 寄 存 器 组 是 一 组 基 于 电 路 的 移 位 寄 存 器。操作 指 令 被 串 行 装 入 由 当 前 指 令 所 选 择 的 数 据 寄 存 器。随 着 操 作 的 执 行，测 试 结 果 被 移 出。!$%&引 脚 定 义.&$/接 口 主 要 包 括 四 个 引 脚：&,1、&5;、&-*和&-及 一 个 可 选 配 的 引 脚&(1&，用 于 驱 动 电 路 模 块和 控 制 执 行 规 定 的 操 作。各 引 脚 的 功 能 如 下：&5;：.&$/测 试 时 钟，为&$3控 制 器 和 寄 存

11、 器 提供 测 试 参 考。在&5;的 同 步 作 用 下 通 过&-*和&-引 脚 串 行 移 入 或 移 出 数 据 及 指 令。同 时，&5;为&$3控 制 器 状 态 机 提 供 时 钟。&,1：&$3控 制 器 的 模 式 输 入 信 号。&5;的 上 升沿 时 刻&,1的 状 态 确 定&$3控 制 器 即 将 进 入 的 工 作状 态。通 常&,1引 脚 具 有 内 部 上 拉 电 阻，以 保 证 该 引脚 在 没 有 驱 动 时 处 于 逻 辑#状 态。&-*：.&$/指 令 和 数 据 寄 存 器 的 串 行 数 据 输 入端。&$3控 制 器 的 当 前 状 态 以 及 保

12、 存 在 指 令 寄 存 器 中的 具 体 指 令 决 定 对 于 一 个 特 定 的 操 作 由&-*装 入 哪个 寄 存 器。在&5;的 上 升 沿 时 刻，&-*引 脚 状 态 被 采样，结 果 送 到.&$/寄 存 器 组。&-：.&$/指 令 和 数 据 寄 存 器 的 串 行 数 据 输 出端。&$3控 制 器 的 当 前 状 态 以 及 保 持 在 指 令 寄 存 器 中的 具 体 指 令 决 定 对 于 一 个 特 定 的 操 作 哪 个 寄 存 器 的内 容 送 到&-输 出。对 于 任 何 已 知 的 操 作，在&-*和&-之 间 只 能 有 一 个 寄 存 器（指 令 或

13、 数 据）处 于 有 效连 接 状 态。&-#，低 电 平&,1）。对 于 由&-*端 输 入 到 器 件 的 扫 描 信 号 共 有两 个 状 态 变 化 路 径：一 个 用 于 移 入 指 令 到 指 令 寄 存器；另 一 个 用 于 移 入 数 据 到 有 效 的 数 据 寄 存 器，该 寄存 器 由 当 前 指 令 确 定。状 态 图 中 的 每 个 状 态 都 是 通 过&$3控 制 器 进 行数 据 处 理 所 需 要 的。这 些 处 理 包 括 给 引 脚 施 加 激 励 信号，捕 获 输 入 的 数 据，装 载 指 令，边 界 扫 描 寄 存 器 中 数计算机应用图#带 有.&

14、$/接 口 的 芯 片 内 部 结 构 图内部逻辑数 据 寄 存 器指 令 寄 存 器9?ABB(CDEBFCG测 试 访 问 端 口 控 制 器边 界 扫 描 寄 存 器HII&-*&,1&-&5;/JK欢迎邮购本刊#77LM#777年光盘版，每套#元#电子技术应用!#年第#!期$%&内 部 逻 辑()*+接 口)$,)-).)/0)$,)-).)/0-1234025617*8/0*#处 理 器指 令 寄 存 器边界扫描寄存器)*%控 制 器地 址数 据控 制-1234025929:&*0;存 储 器*#!系 统 电 路 板#?0A!%$机并 行 接 口图使 用 系 统$%的()*+接 口

15、编 程:&*0;存 储 器%$机 并 行 接 口对 应()*+接 口引 脚功 能引 脚功 能!)$,时 钟#)-数 据 输 入B!)/0模 式 选 择#?CDE).数 据 输 出表#%$机并行接口与()*+接口信号对应表图!)*%控 制 器 状 态 转 移 图据 的 移 入 或 移 出。图!表 示 了)*%状 态 机 的 基 本 流程，描 述 了 从 一 个 状 态 到 另 一 个 状 态)/0信 号 的 变化，在 芯 片()*+接 口 的)80)引 脚 上 加 一 低 脉 冲 信 号可 以 使)*%控 制 器 复 位 到 测 试 逻 辑 复 位（)3D2F&67GHF83D32）主 状 态。

16、!#$%&接 口 的 控 制 指 令控 制 指 令 用 于 控 制()*+接 口 进 行 各 种 操 作，控制 指 令 包 括 基 本 指 令 和 扩 展 指 令。()*+接 口 标 准 要求 芯 片 支 持 的 基 本 指 令 有：I)0)、-J)0)、0*/K%&L%8&.*、?A%*00、-$.、;-+;M。芯 片 厂 商 可以 根 据 实 际 需 要 选 择 或 添 加 扩 展 指 令。($%&接口的使用通 过()*+接 口 可 以 进 行 电 路 板 及 芯 片 的 测 试，也 可 以 实 现 对 目 标 电 路 板 上 的 程 序 存 储 器 编 程。本 文仅 讨 论 使 用()*

17、+接 口 对 板 上:&*0;存 储 器 的 编 程。一 般，可 以 利 用 专 用 的%$机 内 插 卡 式 硬 件 控 制 器 或独 立 的 编 程 器 访 问()*+器 件，也 可 以 直 接 由%$机 的并 行 接 口 模 拟()*+时 序，硬 件 控 制 器 或 编 程 器 通 过专 用 电 缆 连 接 到 目 标 电 路 板。被 编 程 的:&*0;存 储器芯片的地址线、数据线和控制信号线接到()*+兼容芯片的相应引脚上。值得注意的是：采用这种编程方法，不要求:&*0;器件具有()*+接口，只要与其相连接的芯片具有()*+接 口 即 可。在 编程:&*0;芯片时，需要做的工作主要

18、有：!%$机 发 送 指 令 或 数 据 到()*+兼 容 芯 片 的 边 界 扫 描 寄 存 器（?08）；将 保 存 在?08中 的 指 令或数据通过()*+专 用 指 令 传 送 给:&*0;存储器。这个过程是由运行在%$机上的软件进行控制的。()硬 件 配 置在 某 个 设 计 项 目 中，使 用 了-1K234公 司 的025617*8/芯 片0*F#和该公司的025929系列:&*0;存 储 器 芯 片。0*F#芯片是一种 高性能、低功耗、集成有 多 种 常 用 接 口 的0.$微 处 理 器 芯 片，特别 适 合 于 手 持 设 备。而025929:&*0;是-1234公司使 用

19、 独 创 的#个 存 储 单 元 记 录!比 特 数 据 技 术 制 造 的 闪 速 存 储 器 芯 片，其特 点 是 体 积 小、容 量 大、成 本 低，特 别 适 合于程序代码与数据的存储。选择的型号为：*，可 以 配 置 成=位 或#N位 数据线方式。0*F#为!位芯片，其外扩的程序存储器 和 数 据 存 储 器 也 为!位，因此程序存储器需要!片!=:#!=(*配置为!位形式，如图所示。在 本 例 中，()*+菊 花 链 中 包 含 两 个-#BOP#兼容芯片，即0*F#微处理器和$%&。由于:&*0;的地址总线、数据总线和控制信号线接在0*F#上，在利用()*+接口编程:&*0;存储

20、器时，与()*+链上的$%&芯片无关，需要通过指令将$%&芯片设为旁通模式。:&*0;芯片的控制信号如读信号（.）、写信号（Q8R和片选信号（$中 可 以 看 出，使 用%$机 并 行 接 口 的 几 个数 据 线 和 信 号 线 来 构 成()*+接 口 引 脚 信 号，对 应 关系 如 表#所 示。采 用 信 号 线 直 接 连 接 的 方 法 简 便 易行，只 需 要 一 条 专 用 电 缆 即 可 操 作()*+接 口。(!控 制 软 件0*F#芯 片 的()*+接 口 实 现 了-#BOP#标准 的 部 分 功 能，不 能 实 现 对 芯 片 内 部 的 测 试 及 芯 片 仿真，但

21、 提 供 对 芯 片 外 的 测 试 功 能，可 以 用 于 对 芯 片 外计算机应用四通工控&*+软起动器经销商（,),）-!-!-)#-!-!-)#.#电子技术应用!#年第#!期图$编 程%&()存 储 器 的*+机 程 序 框 图开 始打 开、检 查 待 写 文 件,-.接 口 复 位读 芯 片 识 别 代 码旁 路,-.链 上 芯 片清%&()状态寄存器读%&()查 询 标 志高#/位 与 低#/位芯 片 特 性 相 同？擦 除 芯 片编 程 芯 片验 证 芯 片设 置 芯 片 为 只 读 方 式关 闭 文 件,-.接 口 复 位结 束错 误 提 示01部 电 路 的 测 试 或 编

22、程。芯 片 提 供 的,-.指 令 包 括：21*(（#）旁 通 片 上 系 统 逻 辑 指 令，用 于未 被 测 试 的 芯 片；34-3(-（）片 外 电 路 测 试 指 令，用 于 测 试电 路 板 上 芯 片 之 间 的 互 连；(5*&3 6*73&89（#）采 样 引 脚6预 加 载 数据 指 令，用 于 采 样 芯 片 引 脚 信 号 或 通 过 加 载 数 据 控 制引 脚 输 出 信 号；:9+893（#）读 芯 片 识 别 码 指 令，用 于 识 别电 路 板 上 的 芯 片；):.);（#）设 置 高 阻 态 指 令，用 于 将 芯 片 的引 脚 设 为 无 效 状 态。

23、括 号 中 的 内 容 是 指 令 的 操 作 码，它 们 通 过-9:引脚 串 行 移 入 到 指 令 寄 存 器。21*(和34-3(-指 令 的操 作 码 是:333#$#芯 片 的,-.接 口 将 目 标 系 统使 用 的 操 作 系 统 和 应 用 软 件 写 入 到%&()存 储 器 中。对 目 标 板 上 的%&()存 储 器 进 行 编 程 时，在*+机 上运 行 该 程 序 来 控 制 并 行 接 口 模 拟,-.时 序 并 将 编 程代 码 传 送 到(#的,-.控 制 器，利 用,-.的 边界 扫 描 单 元（2(+），把 编 程 数 据 先 移 入 到 边 界 扫 描

24、寄存 器（2(7）。然 后 通 过,-.指 令34-3(-按 照%&()芯 片 的 编 程 时 序 将 数 据 通 过 地 址 总 线 和 数 据 总 线 写入%&()存 储 器，实 现 芯 片 编 程 操 作。在%&()内 容的 写 入 过 程 中，程 序 对!片%&()同 时 执 行 写 操 作，完 成?!位 编 程。在*+机 上 运 行 的 编 程 操 作 程 序 框 图如 图$所 示，其 中 利 用*+机 并 行 接 口 实 现,-.接 口信 号 的 函 数 为：AB CDBCEAB BFGAB BHIGAB JCKL6 6 8DBCDB CAI E&*-FJMANK，&*-9*A!O

25、AF-+P，6 6&*-9#*A?OAF-9:，&*-9!*A$OAF-5(6 6:ACDBCAE(#QROJFFJMSIK，&*-2DIT*A#OAF-98AB BFRU#VWRDBCEXCBWOFFJSIIGBHIY$ZBFY!KV6 6-+PXRWRDBCEXCBWOFFJSIIGBHIY$ZBFY!Z#KV6 6-+PNEJCU7*KWRDBCEXCBWOFFJSIIGBHIY$ZBFY!KV 6 6-+P XREJCU7*KBFRUEEABKWACEXCBWOFFJSIIZ#K_KV6 6 NSB-98FOBOJSBDJABFRVa通 过*+机 并 行 接 口 实 现(#的,-.指

26、令34-3(-的 函 数 为：MRFSbBSIBEMRFKLCDBCE#GG:*KV 6 6 7DA-SIB 6:FXSCDBCE#GG:*KV 6 6 7DA-SIB 6:FXSCDBCE#GG:*KV 6 6 7DA-SIB 6:FXSCDBCE#GG:*KV 6 6 7DA-SIB 6:FXSCDBCE#G#G:*KV6 6 ISXScB 97IcOACDBCE#G#G:*KV 6 6 ISXScB:7IcOACDBCE#GG:*KV 6 6 cOCBDJS:7CDBCE#GG:*KV 6 6 IB:7CDBCEGG:*KV 6 6(#3bBSIBG指 令 长 度 为d位CDBCEGG:

27、*KVCDBCEGG:*KVCDBCEGG:*KVCDBCEGG:*KVCDBCE#GG:*KV 6 6+*&92TCOIIG指 令 长 度 为$位CDBCE#GG:*KVCDBCE#GG:*KVCDBCE#G#G:*KV 6 6 3bB#:7，操 作 码 的 最 后 一 位 必须通过时钟与下一状态34:-#W:7计算机应用（下 转 第#/页）欢迎邮购本刊#de#年光盘版，每套#元#!电子技术应用!#年第#!期（上 接 第#!页）有 效 处 于 同 一 时 刻$由 时 钟 控 制%&保持高电平时进入()*%#+*,状态。-./-0#$#$*123 4 4 5-67/89*,-./-0#$*12

28、3 4 4,.:9%8;/4*68-./-0#$*123 4 4,.:9%8;/4*68-./-0#$*123 4 4,.:9%8;/4*6%?状 态 机 处 于 何 种 状 态，经 过 这 四 条 指 令 后，必 将 返 回 到,.:9%8;/4*6%?时 序 的 方 法 是 可 行 的，对AB?C存 储 器 进 行 编 程 无 需其 它 板 卡 设 备 支 持，是 一 种 较 为 简 单 的 方 法。使 用%?接 口 对AB?C程 序 存 储 器 进 行 编 程 的方 法 适 合 于 系 统 中 带 有 兼 容%?接 口 的 芯 片。随 着具 有%?接 口 芯 片 应 用 的 普 及，需

29、要 对%?接 口 有深 入 的 了 解，以 便 更 好 地 利 用 芯 片 的 资 源，设 计 出 容易 测 试、便 于 维 护 与 升 级 的 高 可 靠 性 系 统，延 长 产 品的 生 命 周 期。同 时，根 据A?BC芯 片 及%?接 口 芯片 的 规 范 对 使 用%?接 口 进 行 编 程 的 控 制 程 序 的 优化，可 以 实 现 存 储 芯 片 的 高 速 编 程 操 作，对 减 少 产 品的 研 发 和 生 产 周 期，保 证 产 品 的 上 市 时 间 非 常 有 利。参 考 文 献#*:/8公 司E*:/8/FG:H?,&?#&IJFG-FGJ8;GF?69K7:J86

30、L8K8G-8FM;&7:.7EL8JE#NNN!*(/6#ONE#/7:67F6%8;/?JJ8;1GF/7:6PG.:67FQ9J7:?FJRI/8J/.F8，*PS#9TTNUV9UT9O0AFGW*($*:J$EUOT(7;/OV/R/F88/$S8XYGFZ$SY#V$5?2U8:8/R1E17FZ8FE%R8PG.:67FQ9J7:C7:6GGZE-.I;R8F.X8F?J768WIJ1.I;R8F;O*:/8%?2ESGK8W8F#NNT)II:a公司E*:9Q;/8W 1FGHF7WWI:H 5;I:H 7:(W86686&IJFGJG:/FG7:.7FQ#TE!#（收 稿 日

31、 期：!#9V9）主 流 程开 始初 始 化快充温 度 检 测延 时时 间 到 否？慢充温 度 检 测电 压 到 否？涓 流 充结 束SSY开 始超 温 否？返 回S输 出 涓 流 电 压Y温 度 检 测 流 程图O智 能 型 充 电 器 程 序 流 程 图钟；然 后 以#OEVb的 恒 定 电 压 对 蓄 电 池 进 行 慢 充，直 至蓄电池电压上升到#!Ecb，结束慢充3最后充电器以#OE#b电 压 对 蓄 电 池 涓 流 充 电。温 度 保 护 点 为OTDd；当 蓄 电 池温 度 升 高 到OTDd时，单 片 机 控 制 充 电 电 压 下 降 到#OE#b，随 着 温 度 的 回 落

32、，充 电 电 压 恢 复 到 保 护 前 的 状 态 继续 充 电。该 充 电 器 对 上 述 蓄 电 池 充 电 比 普 通 充 电 器 缩 短了 约!4 T的 时 间。铅 酸 蓄 电 池 的 型 号 不 同，充 电 要 求 不 完 全 相 同，在设 定 快 充 时 间 和 最 大 充 电 电 流 等 参 数 时，要 经 过 反 复 试验，才 能 达 到 最 佳 充 电 效 果，使 电 池 寿 命 得 到 延 长。本充 电 器 经 过 多 种 综 合 试 验，充 电 效 果 良 好，适 用 于 对 多种 蓄 电 池 充 电。参 考 文 献#武 汉 力 源 单 片 机 技 术 研 究 所E1*D#D)系 列 单 片 机 原理E#NNT年T月!何 希 才E新 型 开 关 电 源 及 其 应 用E北 京：人 民 邮 电 出 版社，#NNU高 怀 军E密 封 式 铅 酸 蓄 电 池 的 使 用 与 维 修E电 子 报 合 订本，#NN：TVO?eW7 G6IE能 够 选 择 快 充 或 慢 充 的 充 电 器E电 子 设 计 技术，#NNN；!T（#）：OT（收 稿 日 期：!#9c9U）计算机应用!Y欢迎邮购本刊#NNTf#NNN年光盘版，每套#元#