引 言

　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)越來越多的無線接人技術(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( 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(dòng)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(shí)現(xiàn)往往都是基于可重配置的硬件環(huán)境，如現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(Field Programmable Array，)、數(shù)字信號(hào)處理器( Signal Processor，DSP)，而不是專用集成電路(Application Specific Integrated ，)等特定的硬件電路和芯片。在線配置(In Sys—tem ，ISP)或者動(dòng)態(tài)配置就是一種重要的SDR實(shí)現(xiàn)技術(shù)。本文介紹作者開發(fā)實(shí)現(xiàn)的一種基于ARM的嵌入式下通過JTAG接口動(dòng)態(tài)配置的方法。

　　系統(tǒng)使用三星公司基于的處理器芯片，公司CycloneII系列的 FPGA芯片，ARM處理器上運(yùn)行基于裁剪后的嵌入式系統(tǒng)，內(nèi)核版本為2．4．18。

　　1 FPGA的配置方式及配置文件

　　公司CycloneII系列FPGA芯片，是公司推出的基于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(duì)成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域。擁有68 416個(gè)邏輯單元，115 200位RAM，150個(gè)乘法器模塊，是CycloneII系列處理能力最強(qiáng)的芯片。與大部分FPGA一樣，CycloneII系列FPGA的配置信息保存在中，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(dòng)串行(AS)方式、被動(dòng)串行(PS)方式、JTAG方式。

　　在主動(dòng)串行和被動(dòng)串行兩種方式中，F(xiàn)PGA芯片支持在配置過程中對(duì)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(shí)，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的嵌入式中對(duì)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(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，主要用于芯片測(cè)試和配置等功能，使用 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(cè)試，其工作原理是在器件內(nèi)部定義一個(gè)測(cè)試訪問端口( ，TAP)，通過專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試。TAP是一個(gè)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?，F(xiàn)在JTAG接口還常用于芯片的在線配置，對(duì)PLD、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(hào)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配置方式比任何一種配置方式的優(yōu)先級(jí)都高。JTAG允許多個(gè)器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件分別測(cè)試和配置。

　　JTAG接口由4個(gè)必需的信號(hào)TDI、TD0、TMS和TCK，以及1個(gè)可選信號(hào)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(cè)試與編程語言(Standard And 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 De—，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(dú)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 (Jam解釋器或者稱為Jam虛擬機(jī))和Jam配置文件。Jam 運(yùn)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(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(tái)無關(guān))。然后使用Jam 解釋并產(chǎn)生JTAG配置數(shù)據(jù)，對(duì)JTAG鏈中的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行配置。

　　使用Jam STAPL進(jìn)行配置時(shí)，針對(duì)不用的應(yīng)用和不同的目標(biāo)設(shè)備(不同型號(hào)或者不同廠商)，只需要改變Jam配置文件，而無需改變Jam Player。因?yàn)镴am 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。它的工作方式與編程語言非常相似，Jam P1ayer相當(dāng)于虛擬機(jī)，而Jam文件相當(dāng)于編譯之后的字節(jié)碼文件(．class文件)。Jam配置文件有兩種格式：

　　①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，但由于采用文本編碼，體積較大。

　?、谧止?jié)碼(—)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(duì)于同樣的配置信息，該格式比．jam格式體積小，節(jié)省存儲(chǔ)空間；其缺點(diǎn)是，無法直接閱讀其中的配置信息。

　　與之對(duì)應(yīng)，Jam Player也有兩種：普通Jam Player，負(fù)責(zé)對(duì)．jam文件的解釋；Jam 一 Player，負(fù)責(zé)對(duì)．jbc文件的解釋。從AItera官方網(wǎng)站上可以免費(fèi)下載到用C語言編寫的兩種Player源代碼。

　　4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　4．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　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、PS相關(guān)的nCONFIG、MSELO和MSEL1引腳都不使用，而將nCONFIG拉高，MSELO和MSEL1接地。DATA0和引腳可以任意配置，在這里都接地。使用的通用引腳GPB7、GPB8、GPB9、GPBlO引腳分別作為JTAG接口的TMS、TDl、TCK和TDO。

　　4．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4．2．1 生成Jam配置文件

　　使用Jam STAPL進(jìn)行JTAG配置，需要有Jam配置文件。集成開發(fā)環(huán)境QuartusII默認(rèn)生成的是．sol和．pof格式的配置文件，要生成．jam和．jbc文件，可以使用2種方法：

　　第1種方法，在工程編譯之前設(shè)置QuartusII的生成配置文件選項(xiàng)。在QuartusII的主菜單中，選擇【Assign—ments】→【【)e】菜單，進(jìn)入【Setting】窗口，單擊“De&．Pin Options…”按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇“Program—ming Files”標(biāo)簽，在該標(biāo)簽頁中選擇．jam或者．jbc文件格式，單擊“0K”按鈕即可。

　　第2種方法，編譯完成后利用QuartusII自帶的文件格式轉(zhuǎn)換工具，將．sof或．pof文件轉(zhuǎn)換為．jam或．jbc文件類型。在QuartusII的主菜單中，選擇【File】→【Convert Flies】菜單，進(jìn)入【Convert ProgrammingFiles】窗口。在該窗口的“Programming file "’中選擇．jam或者．jbc類型，在“File ”中指定文件保存路徑和文件名(默認(rèn)使用與．sof或．pof同路徑同名)，最后單擊“OK”按鈕，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和三種平臺(tái)的代碼。在類似的Linux平臺(tái)中使用，必須進(jìn)行定制和移植。

　　Jam Player源程序組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。與配置平臺(tái)的I／O處理相關(guān)的功能都安排在jbis—tub．c文件中，使用Jam Player的用戶只需要根據(jù)平臺(tái)和硬件環(huán)境修改jbistub．c中的函數(shù)，而不需要修改的文件。

將Jam Player移植到嵌入式Linux中，主要進(jìn)行下列的定制：

　　①更改平臺(tái)預(yù)定義環(huán)境，添加預(yù)處理語句，去除不必要的源代碼；

　?、趯TAG信號(hào)映射到具體硬件引腳；

　　③定制錯(cuò)誤信息輸出方式；

　?、芨鶕?jù)具體微處理器的處理能力，定制延時(shí)函數(shù)。

　　關(guān)于更詳細(xì)的定制和移植過程可參考文獻(xiàn)[7]和[8]。

　　為了幫助Jam Player移植過程，Altera公司提供了調(diào)試和驗(yàn)證使用的idcode文件。該文件有．jam格式和．jbc格式，分別供移植普通Jam Player和Jam 一Player使用。其功能都是讀取目標(biāo)設(shè)備的IDCODE(每種型號(hào)的FPGA芯片都有一個(gè)與其一一對(duì)應(yīng)的IDC0DE，可參見芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè))。如果移植成功，Jam Player會(huì)將讀取的IDCODE和對(duì)應(yīng)的芯片型號(hào)打印出來；否則輸出詳細(xì)的相關(guān)錯(cuò)誤信息，以供調(diào)試使用。

　　4．2．3 JTAG驅(qū)動(dòng)程序

　　由于Jam Player運(yùn)行在嵌入式Linux環(huán)境中，無法直接訪問ARM芯片的引腳寄存器，也就無法直接操作引腳的輸入輸出。所以還必須為用于JTAG接口的引腳編寫驅(qū)動(dòng)程序，將它們封裝成Jam Player可以讀寫的字符型文件。

　　該驅(qū)動(dòng)遵守普通Linux字符型文件驅(qū)動(dòng)編寫規(guī)則，無需向系統(tǒng)申請(qǐng)中斷和實(shí)現(xiàn)中斷函數(shù)，最關(guān)鍵的就是對(duì)引腳讀寫時(shí)，要符合JTAG接口引腳的時(shí)序控制。JTAG接口的引腳時(shí)序如圖4所示。從圖中可知，對(duì)于ARM的JTAG接口，TDI和TMS輸出信號(hào)是在TCK時(shí)鐘信號(hào)的下降沿鎖存的，而TDO反饋信號(hào)是在TCK時(shí)鐘信號(hào)的上升沿有效。

　　在驅(qū)動(dòng)程序中，與操作系統(tǒng)的write和調(diào)用相對(duì)應(yīng)的jtag_write和jtag_的函數(shù)如下(這兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了JTAG輸入輸出信號(hào)的具體操作過程)：

　　Jam Player中調(diào)用該驅(qū)動(dòng)時(shí)，在buffer中只提供TMS和TDI信號(hào)，如圖5(a)所示。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)使用的是S3C24lO的GPB端口的7、8、9、10引腳，GPB數(shù)據(jù)寄存器(GPBDAT)的結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。所以將buffer[0]的內(nèi)容寫到GPBDAT寄存器時(shí)，需要左移7位；讀取TDO信號(hào)時(shí)，僅需返回第10位數(shù)據(jù)。

　　4．2．4 JTAG在線配置的性能和時(shí)間

　　由于使用JTAG配置不支持配置信息的壓縮形式，JTAG配置的時(shí)間只與目標(biāo)芯片的型號(hào)有關(guān)，而與具體應(yīng)用無關(guān)。我們?cè)赑C系統(tǒng)中已驗(yàn)證：一個(gè)源程序?yàn)?0行的與門操作應(yīng)用和一個(gè)源程序超過6 000行的802．16物理層實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，在QuartusII中使用JTAG下載時(shí)，下載配置的時(shí)間相同。

　　根據(jù)上述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Jam Player運(yùn)行在基于S3C2410處理器的Linux環(huán)境中，時(shí)鐘頻率為200 MHz，一次配置的時(shí)間約為70 s。在相同的Jam Player運(yùn)行環(huán)境下，盡管不同應(yīng)用的Jam文件的大小不同，其配置時(shí)間是一樣的。要減少配置時(shí)間，可以有3種方法：一是提高運(yùn)行Jam Player系統(tǒng)的CPU速率；二是修改JamPlayer源程序的代碼，使其執(zhí)行效率更高；三是根據(jù)自身系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在滿足JTAG引腳時(shí)序的前提下，減少驅(qū)動(dòng)程序的延時(shí)操作。

　　結(jié) 語

　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM處理器的、在嵌入式Linux系統(tǒng)下通過FPGA的JTAG接口對(duì)其進(jìn)行在線配置的方案。該方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需將JTAG的4個(gè)必需引腳連接；成本低廉，無需額外的配置芯片和設(shè)備(如AlteraEPC系列和系列)；使用靈活，通過ARM對(duì)FPGA進(jìn)行在線配置；系統(tǒng)無需重啟就可動(dòng)態(tài)更新FPGA應(yīng)用。在我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境中，一次配置的時(shí)間約為70s。