基于JTAG接口實現(xiàn)ARM的FPGA在線配置

　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)越來越多的無線接入技術(shù)，為了解決不同標(biāo)準(zhǔn)間的互通和兼容，人們提出了軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)技術(shù)。SDR技術(shù)要求通信終端具有可重配置能力，根據(jù)特定通信網(wǎng)絡(luò)情況，動態(tài)地改變調(diào)制／解調(diào)、編解碼、交織／解交織等方案。SDR終端的實現(xiàn)往往都是基于可重配置的硬件環(huán)境，如現(xiàn)場可編程邏輯陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、數(shù)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(tài)配置FPGA就是一種重要的SDR實現(xiàn)技術(shù)。本文介紹作者開發(fā)實現(xiàn)的一種基于ARM的嵌入式Linux下通過JTAG接口動態(tài)配置FPGA的方法。

　　系統(tǒng)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(tǒng)，內(nèi)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(shù)字終端、手持設(shè)備等對成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)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，F(xiàn)PGA芯片支持在配置過程中對配置數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮，也就是配置數(shù)據(jù)可以采用壓縮格式存放；而使用JTAG配置時，F(xiàn)PGA芯片不支持解壓縮過程，不能采用壓縮格式的配置數(shù)據(jù)。

　　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(fā)環(huán)境可以生成各種配置文件。QuartusII默認(rèn)產(chǎn)生．sof和．pof格式的配置文件，基于ARM的嵌入式Linux中對FPGA進(jìn)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(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，主要用于芯片測試和配置等功能，使用IEEE Std 1149．1聯(lián)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(nèi)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(nèi)部節(jié)點進(jìn)行測試和調(diào)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(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器。現(xiàn)在JTAG接口還常用于芯片的在線配置，對PLD、Flash等器件進(jìn)行配置。為了完成系統(tǒng)的調(diào)試，任何原型系統(tǒng)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(yōu)先級都高。JTAG允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，實現(xiàn)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(gòu)成。

　　3 Jam STAPL套件

　　在嵌入式Linux環(huán)境中，使用JTAG接口配置FP—GA，必須使用標(biāo)準(zhǔn)測試與編程語言(Standard Test AndProgramming Language，STAPL)標(biāo)準(zhǔn)。STAPL是一種專門用于描述可編程邏輯設(shè)備(Programmable Logic De—vice，PLD)配置文件的編程語言，由EIA／JEDEC組織制定標(biāo)準(zhǔn)。使用STAPL描述的配置文件具有通用性，獨立于PLD生產(chǎn)廠商。

　　Jam STAPL是Altera公司提供的支持STAPL的套件。使用Jam STAPL進(jìn)行配置包含兩部分，Jam Player(Jam解釋器或者稱為Jam虛擬機(jī))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(dá)的內(nèi)容，在JTAG接口上產(chǎn)生用于配置的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流并讀取反饋數(shù)據(jù)。

　　Jam STAPL的工作方式如圖1所示。利用PLD廠商提供的集成開發(fā)環(huán)境Jam Composer，可以產(chǎn)生Jam配置文件(該文件包含目標(biāo)沒備、應(yīng)用數(shù)據(jù)等完整配置信息，與廠商和配置平臺無關(guān))。然后使用Jam Player解釋并產(chǎn)生JTAG配置數(shù)據(jù)，對JTAG鏈中的各個設(shè)備進(jìn)行配置。

　　使用Jam STAPL進(jìn)行配置時，針對不用的應(yīng)用和不同的目標(biāo)設(shè)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(yīng)用或者設(shè)備相關(guān)的信息，它只負(fù)責(zé)解析Jam配置文件中的內(nèi)容。它的工作方式與Java編程語言非常相似，Jam P1ayer相當(dāng)于Java虛擬機(jī)，而Jam文件相當(dāng)于編譯之后的Java字節(jié)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。