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80年代以來，可編程邏輯器件（PLD）技術發(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器件編程實現(xiàn)的，隨著PLD的集成度越來越高，速度越來越快，設計越來越方便靈活，因而日益成為專用集成電路ASIC設計的主流方法。特別是二十世紀90年代新一代在系統(tǒng)編程技術isp的推出，取消了專用編程設備，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)設計的方法前進了一大步，設計周期大大縮短，效率大為提高，并且十分有利于產(chǎn)品的升級和更新?lián)Q代。

一個數(shù)字系統(tǒng)的自動設計流程，可以分為四個階段。首先是對系統(tǒng)的功能進行分析，利用原理圖或硬件描述語言表達設計者的意圖；第二是步利用仿真工具對設計者的想法進行測試仿真，以便發(fā)現(xiàn)設計中的缺陷和錯誤；第三步是將前兩步生成的文件進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的設備中，從而實現(xiàn)一個物理的數(shù)字系統(tǒng)，如圖1（a）所示。

在這四個階段中，前三步都可以在計算機上使用不同軟件工具實現(xiàn)，而最后一步必須和具體的設備進行連接，這意味著需要設計者親臨現(xiàn)場操作。設想如果產(chǎn)品發(fā)往外地，或是遠涉重洋出口海外，就需要生成一個龐大的全球性售后服務網(wǎng)絡對產(chǎn)品跟蹤或更新，這對中小企業(yè)來說根本不可想象。如何解決這個問題呢？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、成品銷售等可以受益于互聯(lián)網(wǎng)，那么他們的技術性服務為什么不可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行呢？為此，我們利用互聯(lián)網(wǎng)及其TCP/IP協(xié)議開發(fā)研制了一個遠程在系統(tǒng)編程工具，使工程技術人員足不出戶就可以對他們利用PLD研制生產(chǎn)的遠在千里之外的電子系統(tǒng)、電子設備進行升級和維護，如圖1（b）所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本工具采用了客戶服務器模式，由兩個部分組成。一個在用戶計算機上執(zhí)行，稱之為用戶端；另一個在設計者計算機上運行，稱之為設計端。軟件編制使用C++語言，在C Builder環(huán)境下設計。程序中使用C Builder中提供的網(wǎng)絡通信控件，實現(xiàn)客戶和服務器之間的通信。本工具程序框圖見圖2。

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

用戶端程序一旦運行，設計端程序就可以啟動。設計端首先輸入用戶端的IP地址，輸入不同的IP地址，就可以對不同的用戶端設備進行操作。然后調(diào)入設計好的融絲圖文件，對文件的格式進行檢查，顯示文件中的信息。文件中的信息指示該文件對哪些芯片編程，以及它們在設備中的排列順序。

檢查正確后，就可以進行網(wǎng)絡連接，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，用戶端應用程序回送下載進度給設計端，設計端就可以顯示下載進度。如果一切正常，下載完畢后就關閉連接，結(jié)束通信。

3 技術實現(xiàn)

3.1 設計端

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

設置IP地址，點擊“命令/設置”時會顯示一個模式對話框。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”，進行網(wǎng)絡連接時，將與擁有該IP地址的主機通信。在 “端口”編輯控制中輸入用戶端下載服務的TCP端口號，按“確定”將該值賦給套接字控件的屬性“Port”，進行網(wǎng)絡連接時，將與指定主機的服務端口通信。

下載文件，直接在編輯控制中輸入文件名或點擊“打開文件”，通過對話框得到下載文件的路徑。每次選擇一個isp文件， 所謂isp文件，是將標準的融絲圖JED文件采用一定的壓縮算法生成的。它比標準的JED文件要小，這樣下載時速度要快些。為了能夠下載成功，要對文件格式和內(nèi)容進行檢查。檢查依據(jù)的是isp文件的頭格式，包括文件類型、芯片鏈中芯片的個數(shù)、擦除脈沖寬度、編程脈沖寬度、編程行數(shù)、每行長度、芯片ID列表等。文件的第一個字節(jié)只要是（0Xf8 0x0B 0x0F 0x0A中的一個，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。共設四種模式：編程并校驗、僅校驗、僅校驗UES、校驗并顯示UES。其中UES是指存放在芯片中的用戶自定義信息，根據(jù)需要可以是設備的序列號或設備的唯一標識等信息，而與芯片的功能沒有關系。

編程并校驗，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，檢驗是否下載正確。

僅校驗，是指讀出芯片中的內(nèi)容，并與文件內(nèi)容進行比較，檢驗兩者是否一致。

僅校驗UES，是指檢驗文件中的UES信息與芯片中的是否一致。

校驗并顯示UES，是指把文件中的UES信息與芯片中的UES內(nèi)容進行比較，檢驗兩者是否一致。若一致，則顯示UES內(nèi)容，否則提示校驗錯誤。

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

用戶端收到全部內(nèi)容后，開始下載。下載過程中用戶端把下載進度發(fā)送給設計端，設計端收到后，將顯示收到的內(nèi)容。這樣，設計者就會看到下載進度。

下載結(jié)束后，自動進入對話狀態(tài)。如果用戶端有人，雙方可以進行簡短對話，討論一些技術問題。

運行“命令\斷開”，則關斷網(wǎng)絡連接，結(jié)束本次下載過程。新的下載過程只要重新運行“命令\連接”即可。

3.2 用戶端

用戶端窗體上有一個進度條（顯示下載進度）和兩個備注控件（顯示當前用戶的工作狀態(tài)，以及交談時的輸入輸出）。用戶端需要完成的功能比設計端復雜。主要有數(shù)據(jù)的接收、設備的自動識別、具體的下載過程等。

程序運行后，在收到窗體創(chuàng)建消息時，將激活服務器套接字，并和TCP端口綁定，等待設計端進程的連接。

只要運行設計端“命令\連接”，就會在用戶端產(chǎn)生網(wǎng)絡連接的消息。連接成功后，與設計端對應，收到的第一個雙字，代表本次連接是下載狀態(tài)還是對話狀態(tài)。若是1，則為下載，否則進入對話狀態(tài)。若是對話狀態(tài)，直接在備注控件中輸入對話內(nèi)容，按回車鍵即可。對方的談話會在另一個備注控件中顯示出來。

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

編程電纜，下載過程與硬件密切相關，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。每個并行口有三個端口：數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制端口，每個端口占一個字節(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 控制下載過程的時鐘信號；

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 用于檢測設備電源是否打開。 下載的流程圖見圖4。

下載開始首先掃描三個并行口端口。利用信號in_CABLE_SENSE_IN和in_VCC_OK檢測設備是否和計算機連接以及電源是否打開，兩個信號同時有，則表示該端口連接有設備。如果找不到設備，就給出提示并中斷這次下載過程。再檢查文件的類型，看設計端發(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、擦除時間以及編程行數(shù)等信息。其中編程和擦除時間的控制，是利用多媒體定時器實現(xiàn)的，可以實現(xiàn)準確的脈沖延遲，保證擦除、編程的可靠性。隨后從芯片中讀出該設備中含有的芯片ID列表（ID列表與芯片型號有關），并與設計端的值進行比較。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。因為芯片列表不一致，將導致設備根本不能工作。

下載時，通過out_SDI端將數(shù)據(jù)一個比特一個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)，與文件中應寫入的數(shù)據(jù)進行比較校驗，以保證數(shù)據(jù)準確地寫入到芯片中。

4 出錯處理

錯誤的處理是軟件設計中十分重要的一個方面，本軟件同樣充分考慮各種意外和錯誤，使得錯誤的影響得到很好控制。本軟件中最主要的出錯處理就是對網(wǎng)絡錯誤的處理，如設計端用戶輸入的IP地址或端口號不正確等。

C Builder中的網(wǎng)絡控件提供了出錯的消息，對于因網(wǎng)絡連接、連接中斷或網(wǎng)絡超時等引起的問題，該消息都會被觸發(fā)。消息被觸發(fā)時，在消息處理函數(shù)中將一些變量重新初始化，并關斷網(wǎng)絡連接。值得一提的是，因計算機IP地址的設置而產(chǎn)生的網(wǎng)絡錯誤消息將不會發(fā)給控件，例如：計算機的子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，本機地址為202.195.168.1，不設置網(wǎng)關。在這樣的配置下，如果與IP地址為202.195.200.1的主機進行連接，將會產(chǎn)生網(wǎng)絡錯誤“子網(wǎng)不可到達”？而控件卻收不到這個消息。此時必須調(diào)用SetErrorProc，指定自己定義的網(wǎng)絡意外處理過程來替代默認過程。新過程將捕獲所有網(wǎng)絡意外，從而避免該消息的遺漏。

另外對下載過程中出現(xiàn)的各種不正常情況都做了檢測，例如：下載電纜沒有連接、設備電源沒有打開、器件列表不符和校驗錯誤等。當檢測到這些錯誤時，由于用戶端無人值守，因此將錯誤信息回送設計端，并用適當?shù)男问斤@示給設計者，以便設計人員做進一步處理。

5 應用范圍及前景

該工具可供所有使用PLD器件進行設計和開發(fā)電子產(chǎn)品及系統(tǒng)設備的公司或廠家使用。對于他們拓展業(yè)務范圍、提升產(chǎn)品價值、增加產(chǎn)品的信息技術含量、降低生產(chǎn)成本、爭取更多用戶、以信息化帶動工業(yè)化等都具有深刻意義。

該工具也可供開設數(shù)字邏輯電路和數(shù)字系統(tǒng)設計課程的相關學校使用，為教師在局域網(wǎng)上指導和批改學生的實驗提供了方便，并可以把學生從都做同樣的單一實驗這種傳統(tǒng)模式中解放出來，有利于針對不同學生給出不同要求，同時也降低了教學成本。特別對遠程教學而言，該工具為一直困擾工科院校的網(wǎng)上教學等問題提供了一種具有開拓意義的方法。隨著信息技術的進一步發(fā)展，我們相信類似的應用將成為互聯(lián)網(wǎng)應用的一個新領域。

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