基于JTAG接口 實現(xiàn)ARM的FPGA在線配置

1、基于JTAG接口 實現(xiàn)ARM的FPGA在線配置摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結構、設計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。仿真結果表明，該濾波器帶寬的可調范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關鍵詞：Butte引 言 隨著通信技術的發(fā)展，出現(xiàn)越來越多的無線接人技術，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(Soft

2、ware Defined Radio，SDR)技術。SDR技術要求通信終端具有可重配置能力，根據(jù)特定通信網(wǎng)絡情況，動態(tài)地改變調制解調、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，F(xiàn)PGA)、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 System Programming，ISP)或者動態(tài)配置FPGA就是一

3、種重要的SDR實現(xiàn)技術。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2418。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，1

4、50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

5、生成各種配置文件。QuartusII默認產(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)界標準，主要用于芯片測試和配置等功能，使用IEEE Std 11491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(shù)據(jù)寄存器和指令寄存器。現(xiàn)在JTAG接口還常用于芯片

6、的在線配置，對PLD、Flash等器件進行配置。為了完成系統(tǒng)的調試，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構成。3 Jam STAPL套件 在嵌入式Linux環(huán)境中，使用JTAG接口配置FPGA，必須使用標準測試與編程語

7、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 Device，PLD)配置文件的編程語言，由EIAJEDEC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(chǎn)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(nèi)容，在JTAG接口上產(chǎn)生用

8、于配置的二進制數(shù)據(jù)流并讀取反饋數(shù)據(jù)。 Jam STAPL的工作方式如圖l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(該文件包含目標沒備、應用數(shù)據(jù)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(chǎn)生JTAG配置數(shù)據(jù)，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(nèi)容。它的工作方式與Java編程語言非常相

9、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(jié)碼文件(class文件)。Jam配置文件有兩種格式： ASCII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。 字節(jié)碼(ByteCode)格式文件，STAPL源文件編譯好之后的字節(jié)碼文件，文件后綴名是“jbc”。對于同樣的配置信息，該格式比jam格式體積小，節(jié)省存儲空間；其缺點是，無法直接閱讀其中的配置信息。 與之對應，Jam Player也有兩種：普通Jam Player，負責對jam文件的解釋；Jam Byte一Code Player，負責對jbc文件的解釋。從AItera官方網(wǎng)站上可以免費下載到用C語言編寫的兩種Player源代碼。4 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)41 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件連接方案如圖2所示。系統(tǒng)中只使用JTAG配置方式，所以與AS