基于JTAG接口实现ARM的FPGA在线配置设计

基于JTAG接口实现ARM的FPGA在线配置设计

引 言
     为了解决不同标准间无线接口技术的互通和兼容，人们提出了软件无线电(Software Defined Radio，SDR)技术。SDR技术要求通信终端具有可重配置能力，根据特定通信网络情况，动态地改变调制／解调、编解码、交织／解交织等方案。SDR终端的实现往往都是基于可重配置的硬件环境，如现场可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，而不是专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)等特定的硬件电路和芯片。在线配置(In Sys—tem Programming，ISP)或者动态配置FPGA就是一种重要的SDR实现技术。本文介绍作者开发实现的一种基于ARM的嵌入式Linux下通过JTAG接口动态配置FPGA的方法。
    系统使用三星公司基于ARM9的S3C2410处理器芯片，Altera公司CycloneII系列的EP2C70 FPGA芯片，ARM处理器上运行基于S3C2410裁剪后的嵌入式Linux系统，内核版本为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工艺制造、低成本的FPGA，主要面向数字终端、手持设备等对成本敏感的应用领域。EP2C70拥有68 416个逻辑单元，115 200位RAM，150个乘法器模块，是CycloneII系列处理能力最强的芯片。与大部分FPGA一样，CycloneII系列FPGA的配置信息保存在SRAM中，掉电后就丢失配置信息，每次上电后需要重新配置。CycloneII系列FPGA支持3种配置方式：主动串行(AS)方式、被动串行(PS)方式、JTAG方式。
    在主动串行和被动串行两种方式中，FPGA芯片支持在配置过程中对配置数据进行解压缩，也就是配置数据可以采用压缩格式存放；而使用JTAG配置时，FPGA芯片不支持解压缩过程，不能采用压缩格式的配置数据。
    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集成开发环境可以生成各种配置文件。QuartusII默认产生．sof和．pof格式的配置文件，基于ARM的嵌入式Linux中对FPGA进行JTAG下载，必须使用．jam或者．jbc格式的配置文件。

2 JTAG接口工作方式
    JTAG接口是一个业界标准，主要用于芯片测试和配置等功能，使用IEEE Std 1149．1联合边界扫描接口引脚。JTAG最初用于芯片功能的测试，其工作原理是在器件内部定义一个测试访问端口(Test Access Port，TAP)，通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和调试。TAP是一个通用的端口，外部控制器通过TAP可以访问芯片提供的所有数据寄存器和指令寄存器。现在JTAG接口还常用于芯片的在线配置，对PLD、Flash等器件进行配置。为了完成系统的调试，任何原型系统都支持JTAG配置方式，因而JTAG配置也就成为最广泛支持的配置方式。不同厂商和不同型号的绝大部分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种配置方式的优先级都高。JTAG允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，实现对各个器件分别测试和配置。
    JTAG接口由4个必需的信号TDI、TD0、TMS和TCK，以及1个可选信号TRST构成。

3 Jam STAPL套件
    在嵌入式Linux环境中，使用JTAG接口配置FP—GA，必须使用标准测试与编程语言(Standard Test AndProgramming Language，STAPL)标准。STAPL是一种专门用于描述可编程逻辑设备(Programmable Logic De—vice，PLD)配置文件的编程语言，由EIA／JEDEC组织制定标准。使用STAPL描述的配置文件具有通用性，独立于PLD生产厂商。
    Jam STAPL是Altera公司提供的支持STAPL的套件。使用Jam STAPL进行配置包含两部分，Jam Player(Jam解释器或者称为Jam虚拟机)和Jam配置文件。Jam Player运行在微处理器中，读取Jam文件并解析Jam文件表达的内容，在JTAG接口上产生用于配置的二进制数据流并读取反馈数据。
    Jam STAPL的工作方式如图l所示。利用PLD厂商提供的集成开发环境Jam Composer，可以产生Jam配置文件(该文件包含目标没备、应用数据等完整配置信息，与厂商和配置平台无关)。然后使用Jam Player解释并产生JTAG配置数据，对JTAG链中的各个设备进行配置。

    使用Jam STAPL进行配置时，针对不用的应用和不同的目标设备(不同型号或者不同厂商)，只需要改变Jam配置文件，而无需改变Jam Player。因为Jam Player不包含任何与应用或者设备相关的信息，它只负责解析Jam配置文件中的内容。它的工作方式与Java编程语言非常相似，Jam P1ayer相当于Java虚拟机，而Jam文件相当于编译之后的Java字节码文件(．class文件)。Jam配置文件有两种格式：
    ①ASCII文本格式文件，也就是用STAPL描述的配置源文件，文件后缀名是．jam。该格式便于阅读和理解，但由于采用ASCII文本编码，体积较大。
    ②字节码(Byte—Code)格式文件，STAPL源文件编译好之后的字节码文件，文件后缀名是“．jbc”。对于同样的配置信息，该格式比．jam格式体积小，节省存储空间；其缺点是，无法直接阅读其中的配置信息。
    与之对应，Jam Player也有两种：普通Jam Player，负责对．jam文件的解释；Jam Byte一Code Player，负责对．jbc文件的解释。从AItera官方网站上可以免费下载到用C语言编写的两种Player源代码。

4 系统设计与实现
4．1 系统硬件设计
    系统硬件连接方案如图2所示。系统中只使用JTAG配置方式，所以与AS、PS相关的nCONFIG、MSELO和MSEL1引脚都不使用，而将nCONFIG拉高，MSELO和MSEL1接地。DATA0和DCLK引脚可以任意配置，在这里都接地。使用S3C2410的通用引脚GPB7、GPB8、GPB9、GPBlO引脚分别作为JTAG接口的TMS、TDl、TCK和TDO。

4．2 系统软件设计
4．2．1 生成Jam配置文件
    使用Jam STAPL进行JTAG配置，需要有Jam配置文件。集成开发环境QuartusII默认生成的是．sol和．pof格式的配置文件，要生成．jam和．jbc文件，可以使用2种方法：
    第1种方法，在工程编译之前设置QuartusII的生成配置文件选项。在QuartusII的主菜单中，选择【Assign—ments】→【【)evice】菜单，进入【Setting】窗口，单击“Device&．Pin Options…”按钮，在弹出的对话框中选择“Program—ming Files”标签，在该标签页中选择．jam或者．jbc文件格式，单击“0K”按钮即可。
    第2种方法，编译完成后利用QuartusII自带的文件格式转换工具，将．sof或．pof文件转换为．jam或．jbc文件类型。在QuartusII的主菜单中，选择【File】→【ConvertProgramming Flies】菜单，进入【Convert ProgrammingFiles】窗口。在该窗口的“Programming file type'’中选择．jam或者．jbc类型，在“File name”中指定文件保存路径和文件名(默认使用与．sof或．pof同路径同名)，最后单击“OK”按钮，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三种平台的代码。在类似Unix的Linux平台中使用，必须进行定制和移植。
    Jam Player源程序组织结构如图3所示。与配置平台的I／O处理相关的功能都安排在jbis—tub．c文件中，使用Jam Player的用户只需要根据平台和硬件环境修改jbistub．c中的函数，而不需要修改其他的文件。

    将Jam Player移植到嵌入式Linux中，主要进行下列的定制：
    ①更改平台预定义环境，添加预处理语句，去除不必要的源代码；
    ②将JTAG信号映射到具体硬件引脚；
    ③定制错误信息输出方式；
    ④根据具体微处理器的处理能力，定制延时函数。
    关于更详细的定制和移植过程可参考文献[7]和[8]。
    为了帮助Jam Player移植过程，Altera公司提供了调试和验证使用的idcode文件。该文件有．jam格式和．jbc格式，分别供移植普通Jam Player和Jam Byte一CodePlayer使用。其功能都是读取目标设备的IDCODE(每种型号的FPGA芯片都有一个与其一一对应的IDC0DE，可参见芯片的数据手册)。如果移植成功，Jam Player会将读取的IDCODE和对应的芯片型号打印出来；否则输出详细的相关错误信息，以供调试使用。
4．2．3 JTAG驱动程序
    由于Jam Player运行在嵌入式Linux环境中，无法直接访问ARM芯片的引脚寄存器，也就无法直接操作引脚的输入输出。所以还必须为用于JTAG接口的引脚编写驱动程序，将它们封装成Jam Player可以读写的字符型文件。
    该驱动遵守普通Linux字符型文件驱动编写规则，无需向系统申请中断和实现中断函数，最关键的就是对引脚读写时，要符合JTAG接口引脚的时序控制。JTAG接口的引脚时序如图4所示。从图中可知，对于ARM的JTAG接口，TDI和TMS输出信号是在TCK时钟信号的下降沿锁存的，而TDO反馈信号是在TCK时钟信号的上升沿有效。

    在驱动程序中，与操作系统的write和read调用相对应的jtag_write和jtag_read的函数如下(这两个函数实现了JTAG输入输出信号的具体操作过程)：

    Jam Player中调用该驱动时，在buffer中只提供TMS和TDI信号，如图5(a)所示。根据硬件设计，系统使用的是S3C24lO的GPB端口的7、8、9、10引脚，GPB数据寄存器(GPBDAT)的结构如图5(b)所示。所以将buffer[0]的内容写到GPBDAT寄存器时，需要左移7位；读取TDO信号时，仅需返回第10位数据。
4．2．4 JTAG在线配置的性能和时间
    由于使用JTAG配置不支持配置信息的压缩形式，JTAG配置的时间只与目标芯片的型号有关，而与具体应用无关。我们在PC系统中已验证：一个源程序为10行的与门操作应用和一个源程序超过6 000行的IEEE802．16物理层实现的应用，在QuartusII中使用JTAG下载时，下载配置的时间相同。
    根据上述嵌入式系统设计，Jam Player运行在基于S3C2410处理器的Linux环境中，时钟频率为200 MHz，一次配置EP2C70的时间约为70 s。在相同的Jam Player运行环境下，尽管不同应用的Jam文件的大小不同，其配置时间是一样的。要减少配置时间，可以有3种方法：一是提高运行Jam Player系统的CPU速率；二是修改JamPlayer源程序的代码，使其执行效率更高；三是根据自身系统设计，在满足JTAG引脚时序的前提下，减少驱动程序的延时操作。

结 语
    本设计实现了一种基于ARM处理器的、在嵌入式Linux系统下通过FPGA的JTAG接口对其进行在线配置的方案。该方法设计简单，只需将JTAG的4个必需引脚连接；成本低廉，无需额外的配置芯片和设备(如AlteraEPC系列和EPCS系列)；使用灵活，通过ARM对FPGA进行在线配置；系统无需重启就可动态更新FPGA应用。在我们的实验系统环境中，一次配置的时间约为70s。