JTAG接口实现ARM的FPGA在线配置的设计方案
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[2]：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[2]。
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[3]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[4]。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、TDO、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FPGA，必须使用标准测试与编程语言（Standard Test And Programming Language，STAPL）标准[5]。STAPL是一种专门用于描述可编程逻辑设备（Programmable Logic Device，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[6]。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（该文件包含目标设备、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 Player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：
① ASCII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（ByteCode）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 ByteCode Player，负责对.jbc文件的解释。从Altera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[6]。
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、MSEL0和MSEL1引脚都不使用，而将 nCONFIG拉高，MSEL0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、GPB10引脚分别作为JTAG接口的TMS、TDI、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.sof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【Assignments】→ 【Device】菜单，进入【Setting】窗口，单击“Device & Pin Options…”按钮，在弹出的对话框中选择“Programming Files”标签，在该标签页中选择.jam或者.jbc文件格式，单击“OK”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】→【Convert Programming Files】菜单，进入【Convert Programming Files】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jbistub.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。
图3 Jam Player源程序组织结构图
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\[6\]。该文件有jam格式和jbc格式，分别供移植普通Jam Player和Jam ByteCode Player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IDCODE，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。从中可知，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）：
int tdo;
static int jtag_write(struct file *file, const char *buffer, size_t count, loff_t *ppos) {
int tmp = 0;
int i,tmpval;
tmp = buffer[0] & 0x3; //将TMS、TDI信号保存到临时变量
tmpval = GPBDAT; //读取通用端口B的数据寄存器
tmpval &= ~(7<<7); //清除TMS、TDI、TCK信号
tmpval |= tmp << 7; //设置新的TMS、TDI信号，TCK=0,产生下降沿
GPBDAT = tmpval;
for (i=0;i<100;i++);//延时，保持低电平
tdo = GPBDAT; //保存新的TDO信号
tmp |= 0x04; //TCK=1，产生上升沿
tmpval &= ~(7<<7);
tmpval |= tmp << 7;
GPBDAT = tmpval; //将TDI和TMS信号锁存
for (i=0;i<100;i++); //延时，保持高电平
return 1;
}
static int jtag_read(struct file *file, char *buffer, size_t count, loff_t *ppos) {
buffer[0] = (tdo & (1<<10))?1:0;
return 1;
}
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S3C2410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[4]。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6000行的IEEE 802.16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Jam Player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Altera EPC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70 s。