基于JTAG接口實現ARM的FPGA在線配置設計

引 言
???? 為了解決不同標準間無線接口技術的互通和兼容，人們提出了軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)技術。SDR技術要求通信終端具有可重配置能力，根據特定通信網絡情況，動態地改變調制／解調、編解碼、交織／解交織等方案。SDR終端的實現往往都是基于可重配置的硬件環境，如現場可編程邏輯陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，而不是專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)等特定的硬件電路和芯片。在線配置(In Sys—tem Programming，ISP)或者動態配置FPGA就是一種重要的SDR實現技術。本文介紹作者開發實現的一種基于ARM的嵌入式Linux下通過JTAG接口動態配置FPGA的方法。
??? 系統使用三星公司基于ARM9的S3C2410處理器芯片，Altera公司CycloneII系列的EP2C70 FPGA芯片，ARM處理器上運行基于S3C2410裁剪后的嵌入式Linux系統，內核版本為2．4．18。

1 FPGA的配置方式及配置文件
??? Altera公司CycloneII系列FPGA芯片，是Altera公司推出的基于90 nm工藝制造、低成本的FPGA，主要面向數字終端、手持設備等對成本敏感的應用領域。EP2C70擁有68 416個邏輯單元，115 200位RAM，150個乘法器模塊，是CycloneII系列處理能力最強的芯片。與大部分FPGA一樣，CycloneII系列FPGA的配置信息保存在SRAM中，掉電后就丟失配置信息，每次上電后需要重新配置。CycloneII系列FPGA支持3種配置方式：主動串行(AS)方式、被動串行(PS)方式、JTAG方式。
??? 在主動串行和被動串行兩種方式中，FPGA芯片支持在配置過程中對配置數據進行解壓縮，也就是配置數據可以采用壓縮格式存放；而使用JTAG配置時，FPGA芯片不支持解壓縮過程，不能采用壓縮格式的配置數據。
??? 不同的配置方式，往往要求不同格式的配置文件。使用Altera公司提供的QuartusII集成開發環境可以生成各種配置文件。QuartusII默認產生．sof和．pof格式的配置文件，基于ARM的嵌入式Linux中對FPGA進行JTAG下載，必須使用．jam或者．jbc格式的配置文件。

2 JTAG接口工作方式
??? JTAG接口是一個業界標準，主要用于芯片測試和配置等功能，使用IEEE Std 1149．1聯合邊界掃描接口引腳。JTAG最初用于芯片功能的測試，其工作原理是在器件內部定義一個測試訪問端口(Test Access Port，TAP)，通過專用的JTAG測試工具對內部節點進行測試和調試。TAP是一個通用的端口，外部控制器通過TAP可以訪問芯片提供的所有數據寄存器和指令寄存器。現在JTAG接口還常用于芯片的在線配置，對PLD、Flash等器件進行配置。為了完成系統的調試，任何原型系統都支持JTAG配置方式，因而JTAG配置也就成為最廣泛支持的配置方式。不同廠商和不同型號的絕大部分FPGA芯片都支持JTAG配置方式。在Altera公司的FPGA芯片中，JTAG配置方式比其他任何一種配置方式的優先級都高。JTAG允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，形成一個JTAG鏈，實現對各個器件分別測試和配置。
??? JTAG接口由4個必需的信號TDI、TD0、TMS和TCK，以及1個可選信號TRST構成。

3 Jam STAPL套件
??? 在嵌入式Linux環境中，使用JTAG接口配置FP—GA，必須使用標準測試與編程語言(Standard Test AndProgramming Language，STAPL)標準。STAPL是一種專門用于描述可編程邏輯設備(Programmable Logic De—vice，PLD)配置文件的編程語言，由EIA／JEDEC組織制定標準。使用STAPL描述的配置文件具有通用性，獨立于PLD生產廠商。
??? Jam STAPL是Altera公司提供的支持STAPL的套件。使用Jam STAPL進行配置包含兩部分，Jam Player(Jam解釋器或者稱為Jam虛擬機)和Jam配置文件。Jam Player運行在微處理器中，讀取Jam文件并解析Jam文件表達的內容，在JTAG接口上產生用于配置的二進制數據流并讀取反饋數據。
??? Jam STAPL的工作方式如圖l所示。利用PLD廠商提供的集成開發環境Jam Composer，可以產生Jam配置文件(該文件包含目標沒備、應用數據等完整配置信息，與廠商和配置平臺無關)。然后使用Jam Player解釋并產生JTAG配置數據，對JTAG鏈中的各個設備進行配置。

??? 使用Jam STAPL進行配置時，針對不用的應用和不同的目標設備(不同型號或者不同廠商)，只需要改變Jam配置文件，而無需改變Jam Player。因為Jam Player不包含任何與應用或者設備相關的信息，它只負責解析Jam配置文件中的內容。它的工作方式與Java編程語言非常相似，Jam P1ayer相當于Java虛擬機，而Jam文件相當于編譯之后的Java字節碼文件(．class文件)。Jam配置文件有兩種格式：
??? ①ASCII文本格式文件，也就是用STAPL描述的配置源文件，文件后綴名是．jam。該格式便于閱讀和理解，但由于采用ASCII文本編碼，體積較大。
??? ②字節碼(Byte—Code)格式文件，STAPL源文件編譯好之后的字節碼文件，文件后綴名是“．jbc”。對于同樣的配置信息，該格式比．jam格式體積小，節省存儲空間；其缺點是，無法直接閱讀其中的配置信息。
??? 與之對應，Jam Player也有兩種：普通Jam Player，負責對．jam文件的解釋；Jam Byte一Code Player，負責對．jbc文件的解釋。從AItera官方網站上可以免費下載到用C語言編寫的兩種Player源代碼。

4 系統設計與實現
4．1 系統硬件設計
??? 系統硬件連接方案如圖2所示。系統中只使用JTAG配置方式，所以與AS、PS相關的nCONFIG、MSELO和MSEL1引腳都不使用，而將nCONFIG拉高，MSELO和MSEL1接地。DATA0和DCLK引腳可以任意配置，在這里都接地。使用S3C2410的通用引腳GPB7、GPB8、GPB9、GPBlO引腳分別作為JTAG接口的TMS、TDl、TCK和TDO。

4．2 系統軟件設計
4．2．1 生成Jam配置文件
??? 使用Jam STAPL進行JTAG配置，需要有Jam配置文件。集成開發環境QuartusII默認生成的是．sol和．pof格式的配置文件，要生成．jam和．jbc文件，可以使用2種方法：
??? 第1種方法，在工程編譯之前設置QuartusII的生成配置文件選項。在QuartusII的主菜單中，選擇【Assign—ments】→【【)evice】菜單，進入【Setting】窗口，單擊“Device&．Pin Options…”按鈕，在彈出的對話框中選擇“Program—ming Files”標簽，在該標簽頁中選擇．jam或者．jbc文件格式，單擊“0K”按鈕即可。
??? 第2種方法，編譯完成后利用QuartusII自帶的文件格式轉換工具，將．sof或．pof文件轉換為．jam或．jbc文件類型。在QuartusII的主菜單中，選擇【File】→【ConvertProgramming Flies】菜單，進入【Convert ProgrammingFiles】窗口。在該窗口的“Programming file type'’中選擇．jam或者．jbc類型，在“File name”中指定文件保存路徑和文件名(默認使用與．sof或．pof同路徑同名)，最后單擊“OK”按鈕，即可生成．jam或者．jbc配置文件。
4．2．2 移植Jam Player
??? Altera公司提供的Jam Player源程序文件包含了DOS、Windows和Unix三種平臺的代碼。在類似Unix的Linux平臺中使用，必須進行定制和移植。
??? Jam Player源程序組織結構如圖3所示。與配置平臺的I／O處理相關的功能都安排在jbis—tub．c文件中，使用Jam Player的用戶只需要根據平臺和硬件環境修改jbistub．c中的函數，而不需要修改其他的文件。

??? 將Jam Player移植到嵌入式Linux中，主要進行下列的定制：
??? ①更改平臺預定義環境，添加預處理語句，去除不必要的源代碼；
??? ②將JTAG信號映射到具體硬件引腳；
??? ③定制錯誤信息輸出方式；
??? ④根據具體微處理器的處理能力，定制延時函數。
??? 關于更詳細的定制和移植過程可參考文獻[7]和[8]。
??? 為了幫助Jam Player移植過程，Altera公司提供了調試和驗證使用的idcode文件。該文件有．jam格式和．jbc格式，分別供移植普通Jam Player和Jam Byte一CodePlayer使用。其功能都是讀取目標設備的IDCODE(每種型號的FPGA芯片都有一個與其一一對應的IDC0DE，可參見芯片的數據手冊)。如果移植成功，Jam Player會將讀取的IDCODE和對應的芯片型號打印出來；否則輸出詳細的相關錯誤信息，以供調試使用。
4．2．3 JTAG驅動程序
??? 由于Jam Player運行在嵌入式Linux環境中，無法直接訪問ARM芯片的引腳寄存器，也就無法直接操作引腳的輸入輸出。所以還必須為用于JTAG接口的引腳編寫驅動程序，將它們封裝成Jam Player可以讀寫的字符型文件。
??? 該驅動遵守普通Linux字符型文件驅動編寫規則，無需向系統申請中斷和實現中斷函數，最關鍵的就是對引腳讀寫時，要符合JTAG接口引腳的時序控制。JTAG接口的引腳時序如圖4所示。從圖中可知，對于ARM的JTAG接口，TDI和TMS輸出信號是在TCK時鐘信號的下降沿鎖存的，而TDO反饋信號是在TCK時鐘信號的上升沿有效。

??? 在驅動程序中，與操作系統的write和read調用相對應的jtag_write和jtag_read的函數如下(這兩個函數實現了JTAG輸入輸出信號的具體操作過程)：

??? Jam Player中調用該驅動時，在buffer中只提供TMS和TDI信號，如圖5(a)所示。根據硬件設計，系統使用的是S3C24lO的GPB端口的7、8、9、10引腳，GPB數據寄存器(GPBDAT)的結構如圖5(b)所示。所以將buffer[0]的內容寫到GPBDAT寄存器時，需要左移7位；讀取TDO信號時，僅需返回第10位數據。
4．2．4 JTAG在線配置的性能和時間
??? 由于使用JTAG配置不支持配置信息的壓縮形式，JTAG配置的時間只與目標芯片的型號有關，而與具體應用無關。我們在PC系統中已驗證：一個源程序為10行的與門操作應用和一個源程序超過6 000行的IEEE802．16物理層實現的應用，在QuartusII中使用JTAG下載時，下載配置的時間相同。
??? 根據上述嵌入式系統設計，Jam Player運行在基于S3C2410處理器的Linux環境中，時鐘頻率為200 MHz，一次配置EP2C70的時間約為70 s。在相同的Jam Player運行環境下，盡管不同應用的Jam文件的大小不同，其配置時間是一樣的。要減少配置時間，可以有3種方法：一是提高運行Jam Player系統的CPU速率；二是修改JamPlayer源程序的代碼，使其執行效率更高；三是根據自身系統設計，在滿足JTAG引腳時序的前提下，減少驅動程序的延時操作。

結 語
??? 本設計實現了一種基于ARM處理器的、在嵌入式Linux系統下通過FPGA的JTAG接口對其進行在線配置的方案。該方法設計簡單，只需將JTAG的4個必需引腳連接；成本低廉，無需額外的配置芯片和設備(如AlteraEPC系列和EPCS系列)；使用靈活，通過ARM對FPGA進行在線配置；系統無需重啟就可動態更新FPGA應用。在我們的實驗系統環境中，一次配置的時間約為70s。