基于ARM＋FPGA的重構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

　可重構(gòu)技術(shù)是指利用可重用的軟硬件資源，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活地改變自身體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。常規(guī)SRAM工藝的FPGA都可以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，利用硬件復(fù)用原理，本文設(shè)計(jì)的可重構(gòu)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(shè)計(jì)出不同的配置方案，并存儲在重構(gòu)控制器內(nèi)部的存儲器中，上電后，重構(gòu)控制器就可以按需求將不同設(shè)計(jì)方案分時(shí)定位到目標(biāo)可編程器件內(nèi)，同時(shí)保持其他部分電路功能正常，實(shí)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)而被Teradyne，Tektronix等JTAG測試設(shè)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(gòu)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(yīng)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(jìn)行在系統(tǒng)編程，而是將SVF文件轉(zhuǎn)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(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(biāo)準(zhǔn)Xilinx ISETM軟件內(nèi)。iMPACT軟件能自動讀取標(biāo)準(zhǔn)的BIT／MCS器件編程文件，并將其轉(zhuǎn)換為緊湊的二進(jìn)制XSVF格式。

　　本設(shè)計(jì)是基于“ARM處理器+FPGA”結(jié)構(gòu)的重構(gòu)控制器，重構(gòu)控制器中的FPGA能夠根據(jù)ARM處理器傳送來的命令，對目標(biāo)可編程器件 JTAG接口進(jìn)行控制，并負(fù)責(zé)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(biāo)可編程器件的JTAG TAP控制器提供所需的激勵，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(biāo)可編程器件內(nèi)的TAP狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)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(biāo)可編程器件配置，實(shí)現(xiàn)用戶此時(shí)所要求功能，在下一時(shí)段，可根據(jù)用戶新的要求，調(diào)用重構(gòu)控制器內(nèi)部存儲器中不同方案在系統(tǒng)重新配置目標(biāo)可編程器件，這樣就實(shí)現(xiàn)了硬件復(fù)用，減少成本。

　　2邊界掃描(JTAG)原理

　　2.1 JTAG接口基本結(jié)構(gòu)

　　JTAG(Joint Test，Action Group，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(diǎn)進(jìn)行測試和調(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(In-System Programmable，ISP)，對PLD，F(xiàn)LASH等器件進(jìn)行配置。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)對各個(gè)器件分別測試和在系統(tǒng)配置。

　　JTAG主要由三部分構(gòu)成：TAP控制器、指令寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口有四組輸出線：TMS，TCK，TDI，TDO，以及1個(gè)可選信號TRST。

　　TCK：JTAG測試時(shí)鐘輸入，當(dāng)TCK保持在零狀態(tài)時(shí)，測試邏輯狀態(tài)應(yīng)保持不變；

　　TMS：測試模式選擇，控制JTAG狀態(tài)，如選擇寄存器、數(shù)據(jù)加載、測試結(jié)果輸出等，出現(xiàn)在TMS的信號在TCK的上升沿由測試邏輯采樣進(jìn)入TAP控制器；

　　TDI：測試數(shù)據(jù)輸入，測試數(shù)據(jù)在TCK的上升沿采樣進(jìn)入移位寄存器(SR)；

　　TDO：測試數(shù)據(jù)輸出，測試結(jié)果在TCK的下降沿從移位寄存器(SR)移出，輸出數(shù)據(jù)與輸入到TDI的數(shù)據(jù)應(yīng)不出現(xiàn)倒置；

　　TRST：可選復(fù)位信號，低電平有效。

　　Xilinx器件接受使用JTAG TAP的編程指令和測試指令。在IEEE 1149.1的標(biāo)準(zhǔn)中，用于CPLD，F(xiàn)PGA以及配置PROM的常見指令有：旁路(BYPASS)指令，通過用1 b長的BYPASS寄存器將TDI與TDO直接連接，繞過(即旁路)邊界掃描鏈中的某個(gè)器件；EXTEST指令，將器件I／O引腳與內(nèi)部器件電路分離，以實(shí)現(xiàn)器件間的連接測試，它通過器件引腳應(yīng)用測試值并捕獲結(jié)果；IDCODE指令，返回用于定義部件類型、制造商和版本編號的32位硬件級別的識別碼； HIGHZ指令，使所有器件引腳懸置為高阻抗?fàn)顟B(tài)；CFG_IN／CFG_OUT指令，允許訪問配置和讀回所用的配置總線；JSTART，當(dāng)啟動時(shí)鐘= JTAGCLK時(shí)為啟動時(shí)序提供時(shí)鐘。

　　2.2 Tap狀態(tài)機(jī)時(shí)序介紹

　　JTAG邊界掃描測試由測試訪問端口的TAP控制器管理。TMS，TRST和TCK引腳管理TAP控制器的操作，TDI和TDO位數(shù)據(jù)寄存器提供串行通道。TDI也為指令寄存器提供數(shù)據(jù)，然后為數(shù)據(jù)寄存器產(chǎn)生控制邏輯。對于選擇寄存器、裝載數(shù)據(jù)、檢測和將結(jié)果移出的控制信號，由測試時(shí)鐘 (TCK)和測試模式(TMS)選擇兩個(gè)信號控制。測試復(fù)位信號(TRST，一般以低電平有效)一般作為可選的第五個(gè)端口信號。

　　如圖2所示，所有基于JTAG的操作都必須同步于JTAG時(shí)鐘信號TCK。所有測試邏輯的變化(例如指令寄存器，數(shù)據(jù)寄存器等)必須出現(xiàn)在 TCK的上升沿或下降沿。關(guān)鍵時(shí)序關(guān)系是：TMS和TDI采樣于TCK的上升邊沿，一個(gè)新的TDO值將于TCK下降邊沿后出現(xiàn)，因此一般情況下JTAG的時(shí)鐘不會太高。

　　圖3表示了IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)定義的TAP控制器的狀態(tài)圖，TAP控制器是16個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)，為JTAG接口提供控制邏輯。TAP狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示，箭頭上的 1或0，表示TMS在TCK上升沿的值(高電平TMS=1，低電平TMS=0)，同步時(shí)鐘TCK上升沿時(shí)刻TMS的狀態(tài)決定狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。對于TDI端輸入到器件的配置數(shù)據(jù)有兩個(gè)狀態(tài)變化路徑：一個(gè)用于移指令到指令寄存器中，另一個(gè)用于移數(shù)據(jù)到有效的數(shù)據(jù)寄存器，該寄存器的值由當(dāng)前執(zhí)行的JTAG指令決定。當(dāng)TAP控制器處于指令寄存器移位(SHIFT-IR)狀態(tài)時(shí)，對于每一個(gè)TCK的上升沿，連接在TDI和TDO之間的指令寄存器組中的移位寄存器向串行輸出方向移一位。

　　當(dāng)TMS保持為高電平時(shí)，在TCK的上升沿TAP控制器進(jìn)入到“EXIT1-IR”狀態(tài)；當(dāng)TMS為低電平時(shí)，TAP控制器保持在“指令寄存器移位”狀態(tài)。

　　3重構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

　　3.1硬件系統(tǒng)組成

　　其主要功能是控制按照用戶不同需求控制調(diào)用不同的方案配置目標(biāo)可編程器件。它主要包括ARM處理器、FPGA、FLASH存儲器和對外總線接口，各功能部件主要功能如下：

　　(1)ARM處理器選用AT91FR40162S，其主要功能是控制模擬JTAG接口的FPGA讀取FLASH存儲器中的重構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)配置；

　(2)FPGA協(xié)處理器選用Xilinx公司SPARTEN3AN系列的XC3S700AN-FGG484，是基于非易失性存儲的FPGA，自身帶有PROM，它作為外部總線和ARM控制器之間的雙端口，主要功能是模擬JTAG接口實(shí)現(xiàn)TAP控制器時(shí)序，完成配置方案數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換并輸出至外部總線；

　　(3)FLASH存儲器容量為32M×16 b，用于處理器的上電引導(dǎo)、存放多種重構(gòu)配置方案。由于要求的存儲容量較大，采用SPANSION公司S29GL512P(32M×16 b)的存儲空間，訪問速度為110 ns，可以達(dá)到25 ns快速頁存取和相應(yīng)的90 ns隨機(jī)存取時(shí)間，F(xiàn)BGA封裝；

　　(4)外部總線接口，可采用1路RS 232驅(qū)動接收器，實(shí)現(xiàn)和外部通信的接口；

　　(5)測試線TCK，TMS，TDI和TDO，是重構(gòu)控制器向目標(biāo)可編程器件提供所需的JTAG TAP激勵，分別控制目標(biāo)多個(gè)FPGA的重構(gòu)配置和反饋重構(gòu)信息。

　　3.2重構(gòu)控制器工作原理

　　ARM執(zhí)行的初始化工作包括程序更新加載運(yùn)行，F(xiàn)PGA參數(shù)設(shè)定等；FPGA設(shè)定內(nèi)部寄存器和邏輯狀態(tài)的初始值、內(nèi)部緩沖區(qū)數(shù)據(jù)清零等。

　　重構(gòu)控制器示意圖如圖4所示。圖中ARM處理器一方面通過ARM總線讀取外部FLASH中的配置方案，對其進(jìn)行并串轉(zhuǎn)化操作，將其存儲到 FLASH存儲器中；另一方面重構(gòu)控制器中模擬TAP控制器的FPGA，從ARM內(nèi)置的FLASH存儲器中讀取配置文件，并執(zhí)行ARM處理器發(fā)出的指令解譯該文件，重構(gòu)控制器解釋二進(jìn)制文件方法如下：在ARM處理器的控制下，從裝載配置文件的FLASH中讀出一個(gè)字節(jié)，判斷是哪條JTAG指令，然后根據(jù)指令的格式作具體的處理，產(chǎn)生TCK，TMS，TDI和TDO信號，作為目標(biāo)可編程器件的JTAG接口激勵，與目標(biāo)可編程器件的JTAG口串聯(lián)成菊花鏈，在 ARM處理器的控制下，對目標(biāo)可編程器件進(jìn)行在系統(tǒng)編程。被重構(gòu)的FPGA由支持局部動態(tài)重構(gòu)的Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA來實(shí)現(xiàn)。

　　4? 結(jié)? 語

　　本文介紹的重構(gòu)控制器既具有ARM微控制器所擁有的高速處理器核、體積小、集成度高、運(yùn)算速度快、存儲器容量大、功耗低等特點(diǎn)，又具有FPGA 強(qiáng)大的并行計(jì)算能力和方便靈活的動態(tài)可重構(gòu)性，使硬件信息(可編程器件的配置信息)像軟件程序一樣被動態(tài)調(diào)用或修改。對于特定的目標(biāo)FPGA芯片，在一定控制邏輯的驅(qū)動下，對芯片的全部或部分邏輯資源重新進(jìn)行動態(tài)配置，從而實(shí)現(xiàn)硬件的時(shí)分復(fù)用，靈活快速地改變系統(tǒng)功能，節(jié)省邏輯資源，滿足大規(guī)模應(yīng)用需求。