摘? 要: 介紹了利用互聯網技術及其TCP/IP協議研制開發的遠程在系統編程工具。使用該工具可對用PLD器件設計的電子系統、設備、消費產品進行遠程監控、調試或升級。該工具可供電子產品的研制生產商使用，也可供開設遠程數字邏輯電路課程、數字系統設計課程的學校使用。
關鍵詞: PLD? 遠程isp? 互聯網? TCP/IP
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1 問題的提出
自二十世紀80年代以來，可編程邏輯器件(PLD)技術發展非常迅速。由于PLD是作為一種通用器件生產的，而它的邏輯功能是由用戶通過對器件編程實現的，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內編程。這一創舉使現代電子系統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，并且十分有利于產品的升級和更新換代。
一個數字系統的自動設計流程，可以分為四個階段。首先是對系統的功能進行分析，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，以便發現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，從而實現一個物理的數字系統，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，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場操作。設想如果產品發往外地，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絡對產品跟蹤或更新，這對中小企業來說根本不可想象。如何解決這個問題呢?我們想到了無所不能的互聯網。既然中小企業的原材料供應、成品銷售等可以受益于互聯網，那么他們的技術性服務為什么不可以通過互聯網進行呢?為此，我們利用互聯網及其TCP/IP協議開發研制了一個遠程在系統編程工具，使工程技術人員足不出戶就可以對他們利用PLD研制生產的遠在千里之外的電子系統、電子設備進行升級和維護，如圖1(b)所示。
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2 系統結構
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環境下設計。程序中使用C Builder中提供的網絡通信控件，實現客戶和服務器之間的通信。本工具程序框圖見圖2。
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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知識。用戶端程序也不需要什么配置，只要它自動掃描并發現接有設備的端口，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，就可以進行網絡連接，并把文件內容發送給用戶端。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，結束通信。
3 技術實現
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，要對文件格式和內容進行檢查。檢查依據的是isp文件的頭格式，包括文件類型、芯片鏈中芯片的個數、擦除脈沖寬度、編程脈沖寬度、編程行數、每行長度、芯片ID列表等。文件的第一個字節只要是(0xF8， 0x0B， 0x0F，0x0A)中的一個，則該文件就是isp文件，不同數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，是指將文件內容下載到芯片中，并在下載過程中從芯片讀出下載內容，檢驗是否下載正確。
僅校驗，是指讀出芯片中的內容，并與文件內容進行比較，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內容進行比較，檢驗兩者是否一致。若一致，則顯示UES內容，否則提示校驗錯誤。
下載模式選定后，就可以進行網絡連接了。選擇菜單“命令連接”，調用網絡連接的代碼。一旦連接成功，系統會發連接成功“CONNECTED”消息。收到此消息后，程序會在此連接上發送一個雙字。若該值為1，則表示將發送一個文件，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。若是對話狀態，雙方可在窗體右邊的備注控件中輸入對話內容，按回車鍵就會發送輸入內容。若是下載狀態，緊接著會發送一個雙字，表示下載模式。然后會再發送一個雙字，表示文件的長度，最后發送整個文件內容。
用戶端收到全部內容后，開始下載。下載過程中用戶端把下載進度發送給設計端，設計端收到后，將顯示收到的內容。這樣，設計者就會看到下載進度。
下載結束后，自動進入對話狀態。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”，則關斷網絡連接，結束本次下
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，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。主要有數據的接收、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”，就會在用戶端產生網絡連接的消息。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還是對話狀態。若是1，則為下載，否則進入對話狀態。若是對話狀態，直接在備注控件中輸入對話內容，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)，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)，則提示發送方有錯，并關閉本次連接，否則將會接收全部文件內容。文件的結束是靠文件長度與收到字節數進行比較，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:數據、狀態、控制端口，每個端口占一個字節。具體定義如下:
在電纜內部將并行口的8腳與12腳直接連接，用于檢測電纜是否已插到并行口上。向數據端口的第6位寫數據，再從狀態端口第5位讀入數據，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數據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數據;
in_VCC_OK 用于檢測設備電源是否打開。
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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的，可以實現準確的脈沖延遲，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。
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下載時，通過out_SDI端將數據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據，與文件中應寫入的數據進行比較校驗，以保證數據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中的網絡控件提供了出錯的消息，對于因網絡連接、連接中斷或網絡超時等引起的問題，該消息都會被觸發。消息被觸發時，在消息處理函數中將一些變量重新初始化，并關斷網絡連接。值得一提的是，因計算機IP地址的設置而產生的網絡錯誤消息將不會發給控件，例如:計算機的子網掩碼為255.255.255.0，本機地址為202.195.168.1，不設置網關。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，將會產生網絡錯誤“子網不可到達”，而控件卻收不到這個消息。此時必須調用SetErrorProc，指定自己定義的網絡意外處理過程來替代默認過程。新過程將捕獲所有網絡意外，從而避免該消息的遺漏。
另外對下載過程中出現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，并用適當的形式顯示給設計者，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電子產品及系統設備的公司或廠家使用。對于他們拓展業務范圍、提升產品價值、增加產品的信息技術含量、降低生產成本、爭取更多用戶、以信息化帶動工業化等都具有深刻意義。
該工具也可供開設數字邏輯電路和數字系統設計課程的相關學校使用，為教師在局域網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展，我們相信類似的應用將成為互聯網應用的一個新領域。
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參考文獻
1 劉篤仁.在系統可編程技術及其器件原理與應用.西安:電子科技大學出版社， 1999.5
2 黃正瑾.在系統編程技術及其應用.南京:東南大學出版社， 1999.5