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用下载电缆实现AT89S5X的ISP编程
文章作者：南开大学 赵 昕 李维祥 孙桂玲
摘要：下载电缆被广泛应用于电子系统设计与调试过程中。本文介绍它的基本原理和编程控制方法；针对目前单片机的ISP串行编程模式列举实例，简要介绍AT89S5X的串行编程的方法和部分协议，使用VC编程，应用下载电缆实现对AT89S5X系列单片机的ISP编程；文末提出统一下载电缆硬件或软件的设想，并提供可以下载支持多种单片机ISP编程软件的网址。
关键词：下载电缆 串行编程 AT89S5X ISP
引言
随着电子技术的日益发展，芯片的规模越来越大，封装日趋小型化，相应的对系统板级调试困难也在加大。IEEE制定了标准测试端口与边界扫描的标准IEEE std 1149.1，这就是JTAG接口协议。JTAG接口通过TCK、TDI、TDO、TMS四根信号线，以串行模式为系统提供了对复杂芯片的各引脚连通性测试，进步还能实现对可编程芯片的配置与处理器芯片的调试等等。下载电缆就是一种使用计算机的并行端口通过软件的仿零点实现JTAG接口协议，访问可编程芯片的廉价工具。本文使用的下载电缆是Altera公司为其可编程逻辑器件开发的ByteBlasterMV电缆。ISP（在系统可编程的简称）是最先由Lattice公司提出的一种技术，是通过同步串行方式实现对其可编程逻辑器件的重配置。ISP与JTAG的接口协议很相像，只是后者形成了标准。ISP现在已经成为一种概念，它的提出改变了传统硬件系统开发的流程，大大方便了开发者，加快了开发速度。现在大多数的可编程器件（FPGA、CPLD、DSP、MCU……）都支持ISP特性。单片机也不例外，Atmel公司推出的AT89S系列51单片机也符合ISP特性。
1 下载电缆的硬件
要实现JTAG接口协议可以使用专用的IC，如74LVT8980、74LVT8990，它与MCU配合可以提供高速的JTAG串行访问，成本较高。下载电缆则是实现JTAG接口协议的廉价方案。它仅命名用74HC244做线路驱动，由计算机的并行端口引出I/O作为TCK、TDI、TDO、TMS等信号线。由于并口在SPP模式下共有3个端口——数据输出端口、控制输出端口、状态输入端口，各种下载电缆究竟从那个端口引出JTAG信号线几乎都不相同，图1、图2是两种下载电缆的原理图。
并口简介：
计算机的并行端口工作在SPP模式下，对它的控制是通过数据输出端口、控制输出端口、状态输入端口来实现的。
并行口有25个引脚，其中包括8位数据线、5位状态线、4位控制线。
数据端口（378H）：D0～D7用于数据输出。
状态端口（379H）：*S7（Busy）、S6（nAck）、S5（PE）、S4（Select）、S3(nError)。
控制端口（37AH）：*C3（nSelin）、S2（nInit）、*C（AnutoFeed）、*C0(nStrobe)。
（）（端口地址是缺省的LPT1设置；*表示此引脚有反向器）
表1为并行端口定义。对应原理图有：
Altera的下载电缆
TCK、TDI、TMS、TDO分别对应D0、D6、D1、*S7；
Atmel的电缆
TCK、TDI、TMS、TDO分别对应*C0、D0、*C3、S6。
表1 并行端口定义表
| 引脚号 |
名 称 |
数据位 |
| 1 |
nStrobe |
*C0 |
| 2 |
D0 |
D0 |
| 3 |
D1 |
D1 |
| 4 |
D2 |
D2 |
| 5 |
D3 |
D3 |
| 6 |
D4 |
D4 |
| 7 |
D5 |
D5 |
| 8 |
D6 |
D6 |
| 9 |
D7 |
D7 |
| 10 |
nAck |
S6 |
| 11 |
Busy |
*S7 |
| 12 |
PE |
S5 |
| 13 |
Select |
S4 |
| 14 |
Auto Feed |
*C1 |
| 15 |
nError |
S3 |
| 16 |
nInit |
C2 |
| 17 |
nSelin |
*C3 |
| 18～25 |
GND |
GND |
2 下载电缆的编程方法
用计算机控制下载电缆实现JTAG协议，就是对并口3个I/O端口的读写操作，用0-1的变化来模拟JTAG时序。在Win98和Win2000环境下读写I/O，需要驱动程序。本文使用DriverLINX Port I/O Driver(可以从WWW.sstnet.com下载)来实现I/O端口访问。安装DLPORTIO以后，通过调用DLPORTIO.DLL动态连接库中的
UCHAR DLPORT_API D1PortRead PortUchar(IN ULONG Port)；
VOID DLPORT_API D1PortWrite PortUchar(IN ULONG Port,IN UCHAR Value)；两个函数就可以访问位于378H、379H、37AH（这是缺省的LPT1设置）的3个并口I/O端口。程序段1实现了对Altera下载电缆的一次电平赋值：
程序段1
Altera下载电缆电平赋值函数
Void CAvrISPDlg::Setbit(){
Unsigned char value=0;
If(!m_tck)value|=0x01;
If(!m_tms)value|=0x02;
If(!m_tdi)value|=0x40;
DlPortWritePortUchar(0x378,value);
Value=DlPortReadPortUchar(0x379)；
If(value & 0x80)m_tdo=0；
Else m_tdo=0;
}
通过以上程序依次改变JTAG各接口I/O的电平状态，模拟JTAG协议的时序，就可以访问支持JTAG标准的各种芯片。
3 ISP协议的解析与实现
对AT89S5X系列单片机ISP编程不使用JTAG协议，而使用SPI同步串行接口协议，如图3所示。
针针这种8位SPI接口协议，我们使用数组来模拟时序：
时钟信号固定为unsigned char sck[19]={0,0,1,0,1,0,1,0,1,0,10,1,0,1,0,1,0,1,0,0};
输出的数据信号由程序实现情况自动生成数组unsigned char mosi[19]；
输入的数据根据读入的信号生成数组unsigned char miso[19]；
再调用上文的Setbit（）函数，依次发送19位的JTAG接口I/O状态，同时读入返回信号，即完成一次对AT89S5X芯片的SPI单字节访问。
在单字节访问基础上，参考Atmel公司的AT89S5X数据手册的串行编程指令表中的指令格式，就可以实现ISP了。
表2为AT89S51串行编程指令表。
表2 AT89S51串行编程指令集
| 指 令 |
指 令 模 式 |
说 明 |
| 第1字节 |
第2字节 |
第3字节 |
第4字节 |
| 编程使能 |
10101100 |
01010011 |
XXXXXXXX |
XXXXXXXX |
使能串行编程 |
| 芯片擦除 |
10101100 |
100XXXXX |
XXXXXXXX |
XXXXXXXX |
擦除程序存储顺 |
| 读程序字节 |
00100000 |
XXXXA11～A8 |
A7～A0 |
D7～D0 |
字节模式读程序 |
| 写程序字节 |
01000000 |
XXXXA11～A8 |
A7～A0 |
D7～D0 |
字节模式写程序 |
| 写保护位 |
10101100 |
111000B1B2 |
XXXXXXXX |
XXXXXXXX |
写保护位 |
| 读保护位 |
00100100 |
XXXXXXXX |
XXXXXXXX |
XXLB3～LB1XX |
读当前保护位 |
| 读标志字节 |
00101000 |
XXXA5～A1 |
A0XXXXXX |
标志数据 |
读取标志数据 |
| 读程序页 |
00110000 |
XXXXA11～A8 |
数据0 |
数据1…255 |
页模式读程序 |
| 写程序写 |
01010000 |
XXXXA11～A8 |
数据0 |
数据1…255 |
页模式写程序 |
注：①串行编程要在RST端接高电平情况下实现；②X表示此位关心；③A11～A0是要访问字节地址；④D7～D0是读写的数据；⑤B1、B2是保护位；⑥LB3～LB1表示3种状态。
针对AT89S51单片机，其标志字节为：（00H）1EH、（02H）51H、（04）06H.
程序段2将得到AT89S51单片机的标志字节。（其中SPIcomm()为SPI单字节访问函数）。
程序段2
获得AT89S51单片机标志字节的程序段
CString str;
for(addr=1;addr<3;addr++){
m_comm=0x28;
SPIcomm();
m_comm=addr;
SPIcomm();
m_comm=0;
SPIcomm();
m_comm=0;
SPIcomm();
Str.Format(“0x%02X”,m_dat);
m_out+=str;
}
图4是AT89S51进行串行编程时的硬件原理图。
4 小结
下载电缆为我们提供了深入芯片内部的触手。通过JTAG标准协议，我们可以用下载电缆检查芯片焊接连通性、重新配置可编程器件、下载程序固件以及调试处理器的运行。
小到8位单片机AT89S5X、AVR的串行编程，可编程器件MAX7000的配置；大到32位嵌入式处理器的调试，上万门FPGA芯片的配置都可以见到下载电缆的身影。例如，ARM使用下载电缆的JTAG仿真可以通过EmbeddedICE接口实现对ARM的开发调试，或者使用ARM的边界扫描特性为嵌入式系统板下载启动程序等等。
目前下载电缆的使用越来越多，各个厂商分别推出了自已的符合JTAG标准的芯片或者是使用ISP技术的新产品。与此同时，下载电缆的种类也非常多，大多数的区别仅在于并口信号与JTAG信号的对应关系不同。往往有时候开发一个产品，要用到很多种不同的电缆。我们希望可以使用一种标准的下载电缆来实现所有JTAG应用；或者是通过一个计算机程序可以通过配置文件来使用各种下载电缆。在我们的BLMVISP软件中，就支持了现有的两种电缆。
使用ISP技术可以大大加快硬件开发速度。下载电缆与计算机软件的配合使用也可以降低开发成本，非常适合个人爱好者与初学者使用。
有兴趣的读者可以下载BLMVISP演示版的VC源程序压缩包（demo_blmvisp.zip），以便参考；也可以访问：http://51kaifa.nease.net或者email:blmv@eyou.com。
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