基于ARM＋FPGA的重構控制器設計

　可重構技術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芯片作為協處理器配合主控制器工作。用戶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定位到目標可編程器件內，同時保持其他部分電路功能正常，實現在系統靈活配置，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)總線操作的語法規范。SVF由Texas Instruments開發，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，把它存儲在數據存儲器中。Xilinx公司提供用于創建器件編程文件的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狀態機進行狀態轉換，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，實現用戶此時所要求功能，在下一時段，可根據用戶新的要求，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，聯合測試行動小組)是一種國際標準測試協議(IEEE 1149.1兼容)，其工作原理是在器件內部定義一個測試訪問端口(TestAccess Port，TAP)，通過專用的JTAG測試工具對內部節點進行測試和調試。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據寄存器和指令寄存器。現在JTAG接口還常用于芯片的在線配置(In-System Programmable，ISP)，對PLD，FLASH等器件進行配置。JTAG允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，形成一個JTAG鏈，實現對各個器件分別測試和在系統配置。

　　JTAG主要由三部分構成：TAP控制器、指令寄存器和數據寄存器，如圖1所示。標準的JTAG接口有四組輸出線：TMS，TCK，TDI，TDO，以及1個可選信號TRST。

　　TCK：JTAG測試時鐘輸入，當TCK保持在零狀態時，測試邏輯狀態應保持不變；

　　TMS：測試模式選擇，控制JTAG狀態，如選擇寄存器、數據加載、測試結果輸出等，出現在TMS的信號在TCK的上升沿由測試邏輯采樣進入TAP控制器；

　　TDI：測試數據輸入，測試數據在TCK的上升沿采樣進入移位寄存器(SR)；

　　TDO：測試數據輸出，測試結果在TCK的下降沿從移位寄存器(SR)移出，輸出數據與輸入到TDI的數據應不出現倒置；

　　TRST：可選復位信號，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的標準中，用于CPLD，FPGA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器件；EXTEST指令，將器件I／O引腳與內部器件電路分離，以實現器件間的連接測試，它通過器件引腳應用測試值并捕獲結果；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狀態；CFG_IN／CFG_OUT指令，允許訪問配置和讀回所用的配置總線；JSTART，當啟動時鐘= JTAGCLK時為啟動時序提供時鐘。

　　2.2 Tap狀態機時序介紹

　　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位數據寄存器提供串行通道。TDI也為指令寄存器提供數據，然后為數據寄存器產生控制邏輯。對于選擇寄存器、裝載數據、檢測和將結果移出的控制信號，由測試時鐘 (TCK)和測試模式(TMS)選擇兩個信號控制。測試復位信號(TRST，一般以低電平有效)一般作為可選的第五個端口信號。

　　如圖2所示，所有基于JTAG的操作都必須同步于JTAG時鐘信號TCK。所有測試邏輯的變化(例如指令寄存器，數據寄存器等)必須出現在 TCK的上升沿或下降沿。關鍵時序關系是：TMS和TDI采樣于TCK的上升邊沿，一個新的TDO值將于TCK下降邊沿后出現，因此一般情況下JTAG的時鐘不會太高。

　　圖3表示了IEEE 1149.1標準定義的TAP控制器的狀態圖，TAP控制器是16個狀態的有限狀態機，為JTAG接口提供控制邏輯。TAP狀態轉移如圖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)，同步時鐘TCK上升沿時刻TMS的狀態決定狀態轉移過程。對于TDI端輸入到器件的配置數據有兩個狀態變化路徑：一個用于移指令到指令寄存器中，另一個用于移數據到有效的數據寄存器，該寄存器的值由當前執行的JTAG指令決定。當TAP控制器處于指令寄存器移位(SHIFT-IR)狀態時，對于每一個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TMS保持為高電平時，在TCK的上升沿TAP控制器進入到“EXIT1-IR”狀態；當TMS為低電平時，TAP控制器保持在“指令寄存器移位”狀態。

　　3重構控制器設計

　　3.1硬件系統組成

　　其主要功能是控制按照用戶不同需求控制調用不同的方案配置目標可編程器件。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存儲器中的重構方案，實現在系統配置；

　(2)FPGA協處理器選用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接口實現TAP控制器時序，完成配置方案數據的并串轉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、存放多種重構配置方案。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，可以達到25 ns快速頁存取和相應的90 ns隨機存取時間，FBGA封裝；

　　(4)外部總線接口，可采用1路RS 232驅動接收器，實現和外部通信的接口；

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

　　3.2重構控制器工作原理

　　ARM執行的初始化工作包括程序更新加載運行，FPGA參數設定等；FPGA設定內部寄存器和邏輯狀態的初始值、內部緩沖區數據清零等。

　　重構控制器示意圖如圖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，對其進行并串轉化操作，將其存儲到 FLASH存儲器中；另一方面重構控制器中模擬TAP控制器的FPGA，從ARM內置的FLASH存儲器中讀取配置文件，并執行ARM處理器發出的指令解譯該文件，重構控制器解釋二進制文件方法如下：在ARM處理器的控制下，從裝載配置文件的FLASH中讀出一個字節，判斷是哪條JTAG指令，然后根據指令的格式作具體的處理，產生TCK，TMS，TDI和TDO信號，作為目標可編程器件的JTAG接口激勵，與目標可編程器件的JTAG口串聯成菊花鏈，在 ARM處理器的控制下，對目標可編程器件進行在系統編程。被重構的FPGA由支持局部動態重構的Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA來實現。

　　4? 結? 語

　　本文介紹的重構控制器既具有ARM微控制器所擁有的高速處理器核、體積小、集成度高、運算速度快、存儲器容量大、功耗低等特點，又具有FPGA 強大的并行計算能力和方便靈活的動態可重構性，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調用或修改。對于特定的目標FPGA芯片，在一定控制邏輯的驅動下，對芯片的全部或部分邏輯資源重新進行動態配置，從而實現硬件的時分復用，靈活快速地改變系統功能，節省邏輯資源，滿足大規模應用需求。