JTAG模式下的MPC5554外部FLASH編程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
??? 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于手機(jī)通信、汽車(chē)、航空航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域。在這些電子產(chǎn)品中，大多以嵌人式微處理器為核心，配套相關(guān)的外圍輔助設(shè)備，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行軟硬件的功能剪裁性設(shè)計(jì)，并將控制程序固化在非易失性存儲(chǔ)器中。FLASH作為一種存儲(chǔ)速度快，容量大，可多次擦寫(xiě)并且價(jià)格便宜的存儲(chǔ)器得到了廣泛的應(yīng)用。由于有些微處理器內(nèi)部不包含F(xiàn)LASH或FLASH存儲(chǔ)空間太小、擦寫(xiě)次數(shù)有限，為了提供足夠的程序存儲(chǔ)空間，需要對(duì)其進(jìn)行外部FLASH擴(kuò)展。JTAG是目前廣泛使用的一種系統(tǒng)在線編程的模式，大大方便了嵌入式系統(tǒng)下載程序至FLASH。該設(shè)計(jì)使用的微處理器為MPC5554，通過(guò)JTAG接口對(duì)外擴(kuò)FLASH進(jìn)行編程。

1 MPC5554簡(jiǎn)介
??? MPC5554是Freescale公司推出的采用PowerPC內(nèi)核的一款32位微控制器．屬于MPC5500系列第一代產(chǎn)品，可用于航空航天、汽車(chē)、工業(yè)控制等嵌入式系統(tǒng)中。如圖1所示，MPC5554內(nèi)部帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，集成DSP運(yùn)算指令，擁有較高的計(jì)算能力，可以滿足多任務(wù)處理和實(shí)時(shí)控制的要求。MPC5554包含64 KB內(nèi)部SRAM，32 KB Cache，2 MB內(nèi)部FLASH，64路eDMA，24路eMIOS，64路eTPU通道，2路eSCI，4路DSPI，3路FlexCAN，40路12 b A／D(可擴(kuò)展為64路)，中斷控制器，以及JTAG，Nexus調(diào)試接口等功能模塊。MPC5554為416腳PBGA封裝，可在-40～+150℃的環(huán)境下工作，系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)132 MHz，中斷延遲小于70 ns(@132 MHz)，內(nèi)部邏輯供電1．5 V，輸入／輸出供電3．3 V，5 V，外部總線接口支持1．62～3．6 V操作。
??? MPC5554提供2 MB可編程、非優(yōu)化內(nèi)部FLAsH，可用于指令存取和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。然而MPC5554內(nèi)部的FLASH為CMF型FLASH，這種FLASH的缺陷是擦寫(xiě)次數(shù)有限，以擦寫(xiě)一次為單位計(jì)算，MPC5554的內(nèi)部FLASH只能進(jìn)行100次。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員，這種局限性非常不利于開(kāi)發(fā)階段的程序?qū)懭牒凸δ苷{(diào)試。一種有效方法是擴(kuò)展外部FLASH，這樣可以在開(kāi)發(fā)階段將程序?qū)懭胪獠縁LAsH，待程序定版后，只需做稍微修改再寫(xiě)入內(nèi)部FLASH。此外，當(dāng)控制對(duì)象為復(fù)雜的多變量系統(tǒng)時(shí)，內(nèi)部FLASH往往無(wú)法提供足夠的程序存儲(chǔ)空間，采用外部擴(kuò)展FLASH就顯得尤為必要。

2 JTAG介紹
??? JTAG(Joint Test Action Group)成立于1985年，由幾家主要的電子制造商發(fā)起制訂的PCB和IC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。JTAG建議于1990年被IEEE批準(zhǔn)為IEEE1149．1-1990測(cè)試訪問(wèn)端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了進(jìn)行邊界掃描所需要的硬件和軟件。JTAG主要用于：電路的邊界掃描測(cè)試和可編程芯片的在系統(tǒng)編程。目前MPC5554中使用的JTAG為IEEE1149．1-2001標(biāo)準(zhǔn)。

JTAG是一種嵌入式處理器開(kāi)發(fā)工具的接口，是目前單片機(jī)普遍采用的在系統(tǒng)調(diào)試和編程方式之一。使用JTAG調(diào)試模式，用戶可以發(fā)送指令和數(shù)據(jù)給處理器，同時(shí)也可以接收處理器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，這樣就可以在外部實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器的控制并進(jìn)行一定的操作，譬如讀寫(xiě)寄存器、擦除FLASH、向RAM、FLASH寫(xiě)入數(shù)據(jù)等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是四線：TMS，TCK，TDI，TDO。相關(guān)JTAG引腳的定義為：TCK為測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò)TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測(cè)試模式選擇，TMS用來(lái)設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測(cè)試模式；TRST為測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。
??? MPC5554提供JTAG和Nexus兩種調(diào)試接口。為了使用方便，F(xiàn)reescale公司開(kāi)發(fā)出了針對(duì)JTAG與Nexus共用的專(zhuān)用燒寫(xiě)器與配套軟件，為14針腳。其主要特點(diǎn)是雙向同步串行通信。同步串行通信時(shí)鐘由仿真器提供，并與單片機(jī)總線時(shí)鐘同步。通過(guò)USBMultilink轉(zhuǎn)換接口(連接到目標(biāo)板14針JTAG／Nexus接口上)，可以在線實(shí)現(xiàn)燒寫(xiě)、校驗(yàn)、檢查、上載、擦寫(xiě)等功能。Freescale對(duì)14針JTAG／NexlJs接口引腳定義，參見(jiàn)表1。

3 硬件設(shè)計(jì)
??? 該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)為基于MPC5554的最小系統(tǒng)板，包括晶振電路、電源模塊、I／O模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、RS 232通信端口，CAN端口，跑馬燈，外擴(kuò)2片AMD公司的FLASH芯片AM29LV160DT作為程序存儲(chǔ)器，2片外擴(kuò)RAM，其功能模塊如圖2所示。

??? AM29LV160DT存儲(chǔ)容量為16 Mb，供電方式為2．7～3．6 V單電壓供電，無(wú)需另外提供FLASH擦除和寫(xiě)入電壓。該芯片有48引腳FBGA，48引腳TSOP和44引腳SO三種封裝形式，該系統(tǒng)中使用SO44封裝形式，圖3所示為其引腳邏輯圖。其數(shù)據(jù)寬度可配置為8位(字節(jié))和16位(字)兩種模式。FLASH內(nèi)部包含35個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)大小根據(jù)數(shù)據(jù)寬度的不同而不同。表2列出了AM29LV160DT的扇區(qū)地址分配。

??? 為了在嵌入式系統(tǒng)中獲得更高的性能優(yōu)勢(shì)，常需要構(gòu)建32位存儲(chǔ)系統(tǒng)，可通過(guò)以下兩種方式構(gòu)建：使用2片16位數(shù)據(jù)寬度的FLASH存儲(chǔ)器芯片并聯(lián)或者使用1片32位數(shù)據(jù)寬度的FLASH存儲(chǔ)芯片。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求程序存儲(chǔ)器為4 MB容量，32位數(shù)據(jù)寬度，故采用2片AM29LV160DT并聯(lián)構(gòu)建存儲(chǔ)系統(tǒng)，其連接參見(jiàn)圖4。將2片F(xiàn)LASH的BYTE引腳接高電平，使芯片工作在16位模式下，每片F(xiàn)LASH傳送兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)為32位數(shù)據(jù)寬度，所以需要兩片F(xiàn)LASH芯片，同時(shí)傳送4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

??? 由于MPC5554采用是大端數(shù)據(jù)格式，即高字節(jié)位于低地址，而AM29LV160DT卻與此相反，采用的是小端數(shù)據(jù)格式，所以在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，將MPC5554的地址線A[29：10]依次連接到2片AM29LV160DT的地址線A[0：19]。芯片的RY／BY引腳接高電平時(shí)可提供多種芯片“忙”監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)線檢測(cè)芯片是否處于擦除或編程等“忙”狀態(tài)，但在S044封裝芯片中并無(wú)該引腳，故在該系統(tǒng)中并沒(méi)有出現(xiàn)RY／BY引腳。

4 軟件實(shí)現(xiàn)
??? 該系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)基于Codewarrior，P&E(Proces-sor·Expert)與JTAG組合開(kāi)發(fā)平臺(tái)，圖5是開(kāi)發(fā)平臺(tái)示意圖。其中，Codewarrior是Freescale公司針對(duì)PowerPC系列微控制器開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Codewarrior集編輯器、調(diào)試器功能于一體，可進(jìn)行編碼、編譯、編輯、鏈接和調(diào)試等開(kāi)發(fā)過(guò)程。?? Codewarrior中使用C／C++語(yǔ)言進(jìn)行編程。為了便于開(kāi)發(fā)，F(xiàn)rees-cale公司開(kāi)發(fā)了供MPC5554配套使用的圖形化開(kāi)發(fā)工具P ＆E(Processor Expert)，通過(guò)它對(duì)MPC5554各功能模塊進(jìn)行設(shè)置，生成相應(yīng)函數(shù)和執(zhí)行代碼，可在Codewarrior開(kāi)發(fā)環(huán)境中使用。

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??? MPC5554通過(guò)外部總線接口(Extrenal Bus Inter-face，EBI)和存儲(chǔ)器控制器提供對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)。其中，外部總線接口提供24條地址線和32條數(shù)據(jù)線與存儲(chǔ)器相連，存儲(chǔ)器控制器提供4條片選信號(hào)線CS[0：3]，1條輸出使能信號(hào)線OE，4條讀寫(xiě)信號(hào)線WE[0：3]，用于選擇和讀寫(xiě)外部存儲(chǔ)器或設(shè)備。MPC5554的24條地址線和4條片選信號(hào)配合可以訪問(wèn)64 MB的地址空間。
??? 在軟件實(shí)現(xiàn)方面，主要是對(duì)EBI相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)在SIU(System Integration Unit)模塊對(duì)相關(guān)管腳進(jìn)行功能設(shè)置，以及對(duì)FLASH自身的程序設(shè)計(jì)。MPC5554自身劃分了若干功能模塊，并設(shè)有相應(yīng)的寄存器。MPC5554的大部分引腳具有復(fù)用功能，每個(gè)引腳通過(guò)SIU模塊的PCR(Pad Configuration Registers)寄存器進(jìn)行功能選擇。例如片選信號(hào)引腳功能復(fù)用為CS[0：3]_ADDR[8：11]_GPIO[0：3]，作為片選信號(hào)需要對(duì)寄存器進(jìn)行設(shè)置，其他相關(guān)引腳同理設(shè)置。
??? SIU．PCR[2]．R=0x0443： ／／CS2
??? SIU．PCR[3]．R=0x0443： ／／CS3
??? MPC5554的EBI模塊對(duì)外部數(shù)據(jù)總線進(jìn)行設(shè)置，對(duì)某片選信號(hào)相對(duì)應(yīng)的外擴(kuò)存儲(chǔ)器進(jìn)行地址與存儲(chǔ)空間設(shè)置。其中，OR寄存器通過(guò)掩碼的方式設(shè)置片選信號(hào)控制的存儲(chǔ)空間大小。例如，CS[3]連接的FLASH起始地址為0x20000000，存儲(chǔ)器空間為2 MB。
??? EBI．CS[3]．BR．R=0x20000003；
??? EBI．cs[3]．OR．R=0xffe00020；
??? 該系統(tǒng)的重點(diǎn)是對(duì)FLASH進(jìn)行操作的程序，主要是對(duì)AM29LV160DT內(nèi)部的命令寄存器按一定的時(shí)序?qū)懭朊睿绫?所示。通過(guò)這些命令或命令序列可以實(shí)現(xiàn)獲得芯片信息、數(shù)據(jù)讀取、整體擦除、扇區(qū)擦除和數(shù)據(jù)寫(xiě)入等功能。

??? 下面附一部分FLASH擦寫(xiě)程序。

5 結(jié) 語(yǔ)
??? 在此實(shí)現(xiàn)了在JTAG模式下對(duì)MPC5554外部FLASH的編程設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了Codewarrior，P&E與JTAG組合開(kāi)發(fā)平臺(tái)的可用性，為MPC5554微控制器用于復(fù)雜多變量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)打下了基礎(chǔ)。