基于JTAG接口实现ARM的FPGA在线配置

　　随着通信技术的发展，出现越来越多的无线接入技术，为了解决不同标准间的互通和兼容，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1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。