基于JTAG接口实现ARM的FPGA在线配置

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、MSELO和MSEL1引脚都不使用，而将nCONFIG拉高，MSELO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、GPBlO引脚分别作为JTAG接口的TMS、TDl、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．sol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【Assign—ments】→ 【【)evice】菜单，进入【Setting】窗口，单击“Device&．Pin Options…”按钮，在弹出的对话框中选择“Program—ming Files”标签，在该标签页中选择．jam或者．jbc文件格式，单击“0K”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】→【ConvertProgramming Flies】菜单，进入【Convert ProgrammingFiles】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jbis—tub．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。



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。该文件有．jam格式和．jbc格式，分别供移植普通Jam Player和Jam Byte一CodePlayer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IDC0DE，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接口的引脚时序如图4所示。从图中可知，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)：



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S3C24lO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。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6 000行的IEEE802．16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JamPlayer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。