基于JTAG接口實現ARM的FPGA在線配置

　　隨著通信技術的發展，出現越來越多的無線接入技術，為了解決不同標準間的互通和兼容，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1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。