基于FIash和JTAG接口的FPGA多配置系統(tǒng)

摘要：針對需要切換FPGA器件的配置以實現(xiàn)不同功能的特殊應(yīng)用場合，提出了一種使用大容量的Flash存儲器作配置碼流載體的FPGA多配置系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳輸速度快的JTAG接口提高了配置碼流的燒寫速度，采用并行從模式減少了FPGA器件配置時間，并利用串口通信實現(xiàn)了配置碼流的在線切換。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作方便，可靠性高，實現(xiàn)成本低，通用性好。
關(guān)鍵詞：FPGA；Flash存儲器；JTAG

引言
針對需要切換多個FPGA配置碼流的場合，Xilinx公司提出了一種名為System ACE的解決方案，它利用CF(Compact Flash)存儲卡來替代配置用PROM，用專門的ACE控制芯片完成CF卡的讀寫，上位機(jī)軟件生成專用的ACE文件并下載到CF存儲卡中，上電后通過ACE控制芯片實現(xiàn)不同配置碼流間的切換。
System ACE的解決方案需要購買CF存儲卡和專用的ACE控制芯片，增加了系統(tǒng)搭建成本和耗費了更多空間，而且該方案只能實現(xiàn)最多8個配置文件的切換，在面對更多個配置文件時，這種方案也無能為力。但若要開發(fā)System ACE的替代方案，則需要選擇更合適的可反復(fù)編程存儲器，并且需要選用合適的傳輸協(xié)議接口來下載配置碼流。通過串口或并口來下載配置碼流速度太慢，不能滿足應(yīng)用中快速下載的需要；通過USB接口來下載配置碼流則需要專門的控制芯片，增加了系統(tǒng)設(shè)計的成本。
本文選用大容量NOR Flash存儲器來存儲配置碼流，并利用JTAG接口完成配置碼流下載的FPGA多配置解決方案。與System ACE方案相比，該方案不僅能快速完成多個配置碼流的下載，還具有更高的配置速度和更低的實現(xiàn)成本。

1 JTAG接口模塊的設(shè)計
為了將配置碼流寫入Flash存儲器，上位機(jī)軟件通過JTAG下載線與JTAG接口模塊連接。JTAG接口模塊接收上位機(jī)軟件發(fā)送的JTAG信號，從中提取出JTAG指令及對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生針對Flash存儲器的擦除和燒寫信號。由IEEE 1149．1—2001標(biāo)準(zhǔn)以及NOR Flash存儲器先擦除后寫入的特性，設(shè)計上位機(jī)軟件的具體執(zhí)行流程如圖1所示。同時為了完成Flash存儲器的擦除和燒寫，本文在軟件設(shè)計中規(guī)定了一系列的自定義JTAG指令，如圖1中括號內(nèi)所示。本文規(guī)定一幀數(shù)據(jù)大小為4 096比特。