（论文61页28483字+图+程序）摘要:在嵌入式系统开发过程中，对于一个没有任何软件支持的目标电路系统，如何把程序下载到目标芯片中最有效最实用的方法就是通过JTAG下载程序，因为它不需要把芯片从电路板上取下来，就可实现编程，这被称之为ISP（在系统编程）。该课题主要是针对日益普及的ISP配置技术和JTAG技术，研究基于JTAG接口的ISP配置技术在FPGA，ARM，CPLD等器件上的应用情况。论文详细地分析了JTAG边界扫描技术的工作原理和工作过程，解释了其用于ISP配置的内在机理；介绍了JTAG技术中的ISC指令在ISP配置中的作用；并通过努力，得到了一般为器件厂商保密的ISC指令，如Altera和Intel公司的相关产品，这对于以后相关仿真配置器的设计具有重要意义；最后采用Visual Basic编程软件开发了JTAG中TAP控制器的工作原理演示软件，有助于教学上的应用。

关键词: JTAG；ISP；IEEE Std 1149.1
    
Studying in JTAG configuration technique and designing demonstration software
Abstract : In the developing process of embeded system,for a target circuitry system without any software supporting,the most effective and practical method of downloading into the the target chip is using JTAG.Because programming can be accomplished without taking the chip out of the circuit board,it is called ISP (In-System Programming). This subject operate againsts more and more widespread ISP configuration technique and JTAG technique,and studies the application condition of ISP configuration technique basing on JTAG interface on FPGA,ARM,CPLD and so on.This thesis detailedly analyses the operational principle and the working process of JTAG boundary scan technique,and explains its internal mechanism used for ISP configuration; and the function that ISC instruction of JTAG technique is used in ISP configuration is introduced;and through effort,ISC instruction that is kept secret generally by the device manufacturer is got,such as the correlate products of Altera company and Intel company,it is important to designing the correlate emulation configuration; In the end,Visual Basic programming software is used to develop the demonstration software for the operational principle of TAP controller in JTAG,it is beneficial to the application of teaching.

Key words: JTAG, ISP, IEEE Std 1149.1
 
目    录
第1章  绪  论 1
1.1  IEEE Std 1149.1 1
1.2  研究的背景、现状和意义 1
1.2.1  研究的背景 1
1.2.2  研究的现状和意义 2
1.2.3  教学演示软件 2
1.3  论文的安排 3
第2章  IEEE1532中JTAG规范 4
2.1  概述 4
2.1.1  JTAG结构 4
2.1.2  信号引脚 4
2.2  TAP 控制器 6
2.3  数据寄存器 9
2.3.1  身份寄存器 9
2.3.2  旁路寄存器 9
2.3.3  边界扫描寄存器 10
2.4  指令寄存器 10
2.4.1  指令寄存器 10
2.4.2  JTAG指令 11
2.5  数据指令多路器和数据多路器 15
2.6  寄存器访问一般过程 15
2.6.1  指令寄存器访问一般过程 15
2.6.2  数据寄存器访问一般过程 16
第3章  ISP与JTAG相结合及其应用 17
3.1  ISP概述 17
3.1.1  ISP与JTAG结合 17
3.1.2  ISP的条件和原理 18
3.2  ISP的优势和评价 18
3.2.1  ISP的优势 18
3.2.2  ISP在系统编程评价 20
3.3  JTAG的应用 20
3.3.1  JTAG在FPGA产品中的应用 21
3.3.2  JTAG在CPLD产品中的应用 21
3.3.3  JTAG在ARM产品中的应用 22
3.4  典型的FRGA举例 23
3.4.1  EPIC20 JTAG 23
3.4.2  EPIC20 JTAG指令 25
3.5  典型的ARM举例 26
3.5.1  PXA2xx JTAG 26
3.5.1  PXA255 JTAG 指令 29
第4章  演示软件开发技术及其规划 31
4.1  演示软件开发平台选择 31
4.2  VB编程软件 32
4.3  VB的常用开发方法 33
4.4  常用控件简介 33
4.5  演示软件的整体结构 35
第5章  VB演示软件设计 37
5.1  TAP控制器 37
5.2  软件演示 38
5.2.1  复位测试 38
5.2.2  指令寄存器移位测试 40
5.2.3  标志寄存器移位测试 42
5.2.4  下载编程数据 44
结 论 46
致 谢 47
参考文献 48
附 录 49

 
第1章  绪  论
1.1  IEEE Std 1149.1
在二十世纪八十年代以前，测试和验证印刷电路板制作布线正确与否，通常采用手工的方法直接用仪器检测电路连线的正确性(通路、短路、断路等)。随着时代的前进，复杂印刷电路板的走线很难用眼睛判断，为对其进行检测，在制作印刷电路板时，事先在板上设置好探针，由仪器通过设置好的探针来测试。但集成电路制作技术的不断提高，使得集成电路引脚间距离特别的窄。印刷电路板制作技术的提高，导致同一个面积上所容纳的元件数以及布线的密度要比以前高得多，线的宽度也大大地缩小，已没有空间去设置探针，过去传统的检测方法已经不能满足需要。为解决这一困难，最初欧洲几家厂商联合起来，设计新的解决方案，把它称之为联合测试行动组织(JTAG:Joint Test Action Group)。在此基础上，根据实际需要，开发相应软件实现电路板布线软件测试。
联合测试行动组织最初定名为欧洲联合测试行动组织(EJTAG)，后来，北美的电子生产厂家也参与其中，这些厂家的共同努力，使JTAG在最初的功能上得到了巨大的拓展，并被广泛接受，最终被电器电子工程师协会(IEEE)承认并作为集成电路设计的标准(IEEE Std 1149.1)。目前，各集成电路生产厂家都遵守这一标准，特别是像处理器和CPLD这样的集成电路，在设计生产时把JTAG硬件结构增加进去，虽然它与集成电路的正常逻辑没有任何关系，却给复杂的电路测试提供了硬件支持，已不仅局限于印刷电路板的测试。IEEE Std 1149.1允许生产厂家在遵守这一标准的前提下，可根据自己的需要新增一些功能特色，从而使处理器的JTAG具有调试的能力。
1.2  研究的背景、现状和意义
1.2.1  研究的背景
在嵌入式系统开发过程中，对于一个没有任何软件支持的目标电路系统，如何把程序下载到目标开发板上的ROM中，其中最有效最实用的方法就是通过JTAG下载程序，因为它不需要把ROM从电路板上取下来，就可实现编程，这被称之为在系统编程。另一种办法是从目标板上取下ROM，用编程器下载程序到ROM中，再把ROM安装到目标板上。显然，前者更为方便，而且不会损坏电路板。虽然，有些目标开发板在发售时，已固化一段启动加载程序在ROM中，但却不能完全满足需要，所以，启动加载程序通常需要修改，必须重新下载。
另外，微处理器的JTAG可以以某种方式与微处理器内核进行通讯，中断和恢复CPU正常运行，获取CPU的内部信息或改变CPU的内部状态，从而为程序调试建立了硬件支持。
不言而喻，在嵌入式系统开发中JTAG占据重要的地位，本毕业设计，就是对基于JTAG的ISP在系统编程进行研究。
1.2.2  研究的现状和意义
对基于JTAG的在系统编程进行研究，其意义和价值主要体现在:
 （1）目前，国外大公司，如Intel、TI、Altera等，都提供针对他们自己处理器的仿真器(主要包括在系统编程器和硬件调试器)，但价格昂贵。实际上，不存在完全通用的仿真器，因为它们的设计是与目标系统密切相关，而且，他们的技术保密，不向外公开，这就导致:在进行嵌入式开发时，要购买他们的开发板，也就意味着要购买他们提供的仿真器，这也是很多公司获取利润的方式。
 （2）此外，由于嵌入式系统开发领域广泛，在某些时候，那些通用仿真器不能满足我们特殊的需要。如果自己掌握这项技术，将给开发带来方便，缩短开发周期。
 （3）更重要的是:使用自主开发设计的目标系统时，必须开发相应的在系统编程器和硬件调试器，否则，只能购买别人的仿真器。由于使用第三方的产品，存在兼容的问题，往往不能满足需要，通常使开发不能顺利进行或不能得到自己想要的功能，使完全自主的愿望受制于人，对这项技术的掌握势在必行。
 （4）该研究的内容是直接面向应用领域，但国内在这方面从事开发和研究的人很少，所以，若能把知识转化成产品，加上市场需求大，其经济价值将十分突出，实际上，国外有很多公司就是专门从事这方面产品的开发。
1.2.3  教学演示软件
教学演示软件的目的是直观地展示JTAG中TAP控制器的工作原理。对于毕业设计中的教学演示软件部分，首先做出构想。要开发一个演示软件，第一，演示软件上要显示演示的步骤，因为于演示软件是演示JTAG中TAP控制器的状态变化，所以演示的界面上要有进行测试的步骤，简单明了的展示出来；第二，是要显示TAP控制器的状态变化图，因为随着测试的进行，TAP控制器的状态也随之发生变化，有了同步显示TAP控制器的状态变化图，就可以清楚地知道怎样通过JTAG接口实现JTAG指令从而完成测试、装载、读取或擦除程序的基本功能；第三，要显示每一步执行时各个相关的寄存器的变化，这样就可以知道JTAG指令是怎样通过访问数据寄存器或指令寄存器来实现功能的；第四，显示简单的注解，同步显示简单的注解可以更清楚的展示出每一个步骤执行时的具体情况。有了这四个部分就能达到开发教学演示软件的目的。
开发平台经比较，本设计选用了Visual Basic编程软件来开发演示软件，以便生成.exe可执行文件来直观演示。不选用Power Point之类的演示软件是因为考虑到这一类型的软件对环境的依赖过大。
1.3  论文的安排
第1章  绪论，介绍一些论文研究的背景、现状和意义。
第2章  详细介绍IEEE 1532中的JTAG规范，后续的研究都是在此基础上进行扩展。
第3章  详细介绍ISP在系统编程与JTAG相结合的应用以及ISP的条件和工作原理，并且典型例举了两种JTAG产品。
第4章  进行演示软件开发平台的选择，并就VB开发演示软件的关键技术作了介绍。
第5章  用VB编程软件设计了JTAG接口中的TAP控制器工作原理的演示软件。