基于FIash和JTAG接口的FPGA多配置系统

　　引言

　　针对需要切换多个FPGA配置码流的场合，Xilinx公司提出了一种名为System ACE的解决方案，它利用CF(Compact Flash)存储卡来替代配置用PROM，用专门的ACE控制芯片完成CF卡的读写，上位机软件生成专用的ACE文件并下载到CF存储卡中，上电后通过ACE控制芯片实现不同配置码流间的切换。

　　System ACE的解决方案需要购买CF存储卡和专用的ACE控制芯片，增加了系统搭建成本和耗费了更多空间，而且该方案只能实现最多8个配置文件的切换，在面对更多个配置文件时，这种方案也无能为力。但若要开发System ACE的替代方案，则需要选择更合适的可反复编程存储器，并且需要选用合适的传输协议接口来下载配置码流。通过串口或并口来下载配置码流速度太慢，不能满足应用中快速下载的需要;通过USB接口来下载配置码流则需要专门的控制芯片，增加了系统设计的成本。

　　本文选用大容量NOR Flash存储器来存储配置码流，并利用JTAG接口完成配置码流下载的FPGA多配置解决方案。与System ACE方案相比，该方案不仅能快速完成多个配置码流的下载，还具有更高的配置速度和更低的实现成本。

　　1 JTAG接口模块的设计

　　为了将配置码流写入Flash存储器，上位机软件通过JTAG下载线与JTAG接口模块连接。JTAG接口模块接收上位机软件发送的JTAG信号，从中提取出JTAG指令及对应的数据，并产生针对Flash存储器的擦除和烧写信号。由IEEE 1149.1—2001标准以及NOR Flash存储器先擦除后写入的特性，设计上位机软件的具体执行流程如图1所示。同时为了完成Flash存储器的擦除和烧写，本文在软件设计中规定了一系列的自定义JTAG指令，如图1中括号内所示。本文规定一帧数据大小为4 096比特。

　　JTAG接口模块通过外部引脚接收到JTAG信号后，为了完成JTAG指令及数据的提取，JTAG接口模块中必需包含一个TAP(Test Access Port)控制器，TAP控制器是一个16状态的状态机，在TCK的上升沿通过TMS的变化可以控制状态的转移。在特定的状态即可将JTAG指令及数据分别存入指令寄存器(IR-Instruetion Register)和数据寄存器(DR-Data Register)中。JTAG接口模块在接收到上位机软件发送的指令后，相应的解释如表1所列。

　　2 FIash控制器和FPGA器件配置模块设计

　　2.1 FIash控制器设计

　　烧写Flash存储器和利用Flash存储器配置FPGA器件时，都需要对Flash存储器进行操作，因此需要设计一个控制器模块来专门产生Flash存储器的控制指令。Flash控制器要实现的功能是：响应输入的擦除、写、读命令，并根据命令产生相应的时序来实现对Flash的操作。