基于ARM+FPGA的重構控制器設計

摘要：為滿足可重配置系統(tǒng)的靈活性要求，介紹了一種“ARM處理器+FPGA”結構的重構控制器的設計，提出由ARM微處理器通過模擬JTAG接口的FPGA在系統(tǒng)配置目標可編程器件的方法。給出系統(tǒng)設計的硬件結構，并詳細介紹了JTAG在系統(tǒng)配置FPGA的時序要求，以及在此結構中如何利用IEEE JTAG1149．1邊界掃描測試技術和描述JTAG總線標準的XSVF格式配置文件來實現(xiàn)對目標可編程器件進行在系統(tǒng)配置。
關鍵詞：JTAG接口；FPGA；重構；XSVF格式

可重構技術是指利用可重用的軟硬件資源，根據(jù)不同的應用需求，靈活地改變自身體系結構的設計方法。常規(guī)SRAM工藝的FPGA都可以實現(xiàn)重構，利用硬件復用原理，本文設計的可重構控制器采用ARM核微控制器作為主控制器，以FPGA芯片作為協(xié)處理器配合主控制器工作。用戶事先根據(jù)需求設計出不同的配置方案，并存儲在重構控制器內(nèi)部的存儲器中，上電后，重構控制器就可以按需求將不同設計方案分時定位到目標可編程器件內(nèi)，同時保持其他部分電路功能正常，實現(xiàn)在系統(tǒng)靈活配置，提高系統(tǒng)工作效率。

1 SVF格式配置文件
很多嵌入式系統(tǒng)中都用到了FPGA／CPlD等可編程器件，在這些系統(tǒng)中利用SVF格式配置文件就可以方便地通過微控制器對可編程器件進行重新配置。目前可編程芯片廠商的配套軟件都可以生成可編程器件的SVF格式配置文件，串行矢量格式(SVF)是一種用于說明高層IEEE 1149．1(JTAG)總線操作的語法規(guī)范。SVF由Texas Instruments開發(fā)，并已成為數(shù)據(jù)交換標準而被Teradyne，Tektronix等JTAG測試設備及軟件制造商采用。Xilinx的FPGA以及配置PROM可通過JTAG接口中TAP控制器接收SVF格式的編程指令。由于SVF文件由ASCII語句構成，它要求較大的存儲空間，并且存儲效率很低，無法勝任嵌入式應用。為了在嵌入式系統(tǒng)中充分利用其有限的存儲空間，并不直接利用SVF文件對可編程器件進行在系統(tǒng)編程，而是將SVF文件轉換成另一種存儲效率比較高的二進制格式的文件，把它存儲在數(shù)據(jù)存儲器中。Xilinx公司提供用于創(chuàng)建器件編程文件的iMPACT工具，該工具隨附于標準Xilinx ISETM軟件內(nèi)。iMPACT軟件能自動讀取標準的BIT／MCS器件編程文件，并將其轉換為緊湊的二進制XSVF格式。
本設計是基于“ARM處理器+FPGA”結構的重構控制器，重構控制器中的FPGA能夠根據(jù)ARM處理器傳送來的命令，對目標可編程器件JTAG接口進行控制，并負責解譯XSVF格式的配置文件信息，生成Xilinx器件所用的編程指令、數(shù)據(jù)和控制信號(TMs，TDI，TCK序列)向目標可編程器件的JTAG TAP控制器們提供所需的激勵，從而執(zhí)行最初在XSVF文件內(nèi)指定的編程和(可選的)測試操作。使目標可編程器件內(nèi)的TAP狀態(tài)機進行狀態(tài)轉換，將指令和數(shù)據(jù)掃描到FPGA內(nèi)部邊界掃描電路指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器中。完成一次目標可編程器件配置，實現(xiàn)用戶此時所要求功能，在下一時段，可根據(jù)用戶新的要求，調用重構控制器內(nèi)部存儲器中不同方案在系統(tǒng)重新配置目標可編程器件，這樣就實現(xiàn)了硬件復用，減少成本。

2 邊界掃描(JTAG)原理
2．1 JTAG接口基本結構
JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議(IEEE 1149．1兼容)，其工作原理是在器件內(nèi)部定義一個測試訪問端口(TestAccess 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?，F(xiàn)在JTAG接口還常用于芯片的在線配置(In-System Prograromable，ISP)，對PLD，F(xiàn)LASH等器件進行配置。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在系統(tǒng)配置。