基于A(yíng)RM+FPGA的重構控制器設計

摘要：為滿(mǎn)足可重配置系統的靈活性要求，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(guò)模擬JTAG接口的FPGA在系統配置目標可編程器件的方法。給出系統設計的硬件結構，并詳細介紹了JTAG在系統配置FPGA的時(shí)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(shù)和描述JTAG總線(xiàn)標準的XSVF格式配置文件來(lái)實(shí)現對目標可編程器件進(jìn)行在系統配置。
關(guān)鍵詞：JTAG接口；FPGA；重構；XSVF格式

可重構技術(shù)是指利用可重用的軟硬件資源，根據不同的應用需求，靈活地改變自身體系結構的設計方法。常規SRAM工藝的FPGA都可以實(shí)現重構，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(hù)事先根據需求設計出不同的配置方案，并存儲在重構控制器內部的存儲器中，上電后，重構控制器就可以按需求將不同設計方案分時(shí)定位到目標可編程器件內，同時(shí)保持其他部分電路功能正常，實(shí)現在系統靈活配置，提高系統工作效率。

1 SVF格式配置文件
很多嵌入式系統中都用到了FPGA／CPlD等可編程器件，在這些系統中利用SVF格式配置文件就可以方便地通過(guò)微控制器對可編程器件進(jìn)行重新配置。目前可編程芯片廠(chǎng)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(shuō)明高層IEEE 1149．1(JTAG)總線(xiàn)操作的語(yǔ)法規范。SVF由Texas Instruments開(kāi)發(fā)，并已成為數據交換標準而被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(guò)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(yǔ)句構成，它要求較大的存儲空間，并且存儲效率很低，無(wú)法勝任嵌入式應用。為了在嵌入式系統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(jìn)行在系統編程，而是將SVF文件轉換成另一種存儲效率比較高的二進(jìn)制格式的文件，把它存儲在數據存儲器中。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。iMPACT軟件能自動(dòng)讀取標準的BIT／MCS器件編程文件，并將其轉換為緊湊的二進(jìn)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ARM處理器傳送來(lái)的命令，對目標可編程器件JTAG接口進(jìn)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、數據和控制信號(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，從而執行最初在XSVF文件內指定的編程和(可選的)測試操作。使目標可編程器件內的TAP狀態(tài)機進(jìn)行狀態(tài)轉換，將指令和數據掃描到FPGA內部邊界掃描電路指令寄存器和數據寄存器中。完成一次目標可編程器件配置，實(shí)現用戶(hù)此時(shí)所要求功能，在下一時(shí)段，可根據用戶(hù)新的要求，調用重構控制器內部存儲器中不同方案在系統重新配置目標可編程器件，這樣就實(shí)現了硬件復用，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(dòng)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部定義一個(gè)測試訪(fǎng)問(wèn)端口(TestAccess Port，TAP)，通過(guò)專(zhuān)用的JTAG測試工具對內部節點(diǎn)進(jìn)行測試和調試。TAP是一個(gè)通用的端口，外部控制器通過(guò)TAP可以訪(fǎng)問(wèn)芯片提供的所有數據寄存器和指令寄存器?，F在JTAG接口還常用于芯片的在線(xiàn)配置(In-System Prograromable，ISP)，對PLD，FLASH等器件進(jìn)行配置。JTAG允許多個(gè)器件通過(guò)JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，實(shí)現對各個(gè)器件分別測試和在系統配置。