Verilog设计JTAG接口与TAP控制器?实现Xilinx FPGA的动态重构与Zynq配置重加载
根据上一篇文章，我们已经了解到重构 Xilinx FPGA 的方法有两种：Slave Select Map 接口 和 JTAG 接口。在文章中，我们详细探讨了这两种接口的工作原理、应用场景以及它们各自的优缺点。通过对比，我们了解了在不同的开发需求和硬件环境下，如何选择最适合的接口来进行 FPGA 配置和加载。
在本篇文章中，我们将重点介绍如何通过 Verilog HDL（硬件描述语言） 实现 JTAG 接口的配置逻辑，成功通过外部FPGA加载Xilinx FPGA，并进行下板验证。
完整工程文件下载：Verilog实现JTAG加载源码 （点击蓝色字体获取）
一、硬件环境
- 加载FPGA：zynq7020 zedboard（其他的FPGA也可以）
- 被加载FPGA：zynq7020（Xilinx的其他也可以）
- 开发软件版本：vivado2019.2
- 存储配置文件：外挂FLASH （型号：W25Q128 ）
二、JTAG加载时序流程
加载时序主要是通过JTAG时序去控制TAP控制器状态机去发送相应的指令和数据，TAP状态机如下图所示
Xilinx FPGA通过JTAG接口加载PL程序整体加载过程如下：
- FPGA上电，且在TEST-LOGIC-RESET状态维持5个sck
- 进入SHFIT-IR状态，并且加载JPROGAM指令（LSB first）
- 在IDLE状态至少等待10ms，相当于对FPGA的一个初始化时间
- 加载CFG_IN指令（LSB first）
- 加载bin配置文件（MSB first）
- 加载JSTART指令（LSB first）
- 在IDLE状态至少等待2000个sck，使配置文件加载成功
通过切换TAP并在脉冲PROGRAM_B引脚或发出关机序列后输入CFG_IN指令，可以重新配置已配置的设备，其时序流程图如下所示
三、Verilog代码实现
我的设计方案是将FPGA配置文件存储在闪存中，通过SPI接口读取闪存中的数据，并通过JTAG接口将该配置文件传输至另一块FPGA开发板，从而使目标FPGA运行预定的功能。这一过程可以确保配置文件的可靠传输和FPGA功能的灵活部署。
3.1 总体设计框图
总体设计框图如下所示
我这边设置了一个按键触发条件，当用户按下按键后，开始执行读取FLASH内存，并通过JTAG去加载FPGA开发板
3.2 代码设计
代码总体架构，主要由三个模块组成，顶层文件、JTAG时序模块、FLASH读取模块
3.2.1 顶层模块
顶层模块，主要负责将所有子模块、外设和连接进行整合，在设计中使用模块化设计，把各个模块单独出来，并全部例化的顶层中
顶层代码
key_filter
#(
.CNT_MAX (20'd999_999/6 ) //计数器计数最大值
)
key_filter_inst
(
.sys_clk (jtag_clk ), //系统时钟，频率10MHz
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //复位信号,低电平有效
.key_in (pi_key ), //按键输入信号
.key_flag (po_key ) //消抖后信号
);
jtag_pl
#(
.BIT_SIZE (BIT_SIZE + 100 ) //BIT文件大小
)
u_jtag_pl
(
.clk_in ( jtag_clk ),
.ila_clk ( ila_clk ),
.rst ( ~sys_rst_n ),
.key_begin (po_key),
.flash_tdo ( flash_tdo_out ),
.flash_rd_en ( flash_rd_en ),
.led ( led ),
.led1 ( led1 ),
.led2 ( led2 ),
.tck_out ( jtag_tck ),
.tms_out ( jtag_tms ),
.tdi_out ( jtag_tdi ),
.tdo_in ( jtag_tdo )
);
//-------------flash_read_ctrl_inst-------------
flash_read_ctrl
#(
.BIT_SIZE (BIT_SIZE ) //读出数据个数
)
flash_read_ctrl_inst
(
.sys_clk (clk_10M ), //系统时钟，频率50MHz
.ila_clk (ila_clk) ,
.sys_rst_n (sys_rst_n ), //复位信号,低电平有效
.key ( flash_rd_en ), //读取开始信号
.miso (flash_tdo ), //读出flash数据
.sck (flash_sck ), //片选信号
.cs_n (flash_cs_n ), //串行时钟
.mosi (flash_tdi ), //主输出从输入数据
.tx_flag (tx_flag ), //输出数据标志信号
.tx_data (tx_data ) //输出数据
);
3.2.2 FLASH读取模块
FLASH读取模块主要采用SPI 模式0方式对W25Q128器件，进行x1方式读取，读到的数据输出为单字节的格式，输出给JTAG加载模块
读FLASH代码
//mosi：两段式状态机第二段，逻辑输出
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
mosi <= 1'b0;
else if((state == READ) && (cnt_byte>= 16'd4))
mosi <= 1'b0;
else if((state == READ) && (cnt_byte == 16'd0) && (cnt_sck == 2'd0))
mosi <= READ_INST[7 - cnt_bit]; //读指令
else if((state == READ) && (cnt_byte == 16'd1) && (cnt_sck == 2'd0))
mosi <= SECTOR_ADDR[7 - cnt_bit]; //扇区地址
else if((state == READ) && (cnt_byte == 16'd2) && (cnt_sck == 2'd0))
mosi <= PAGE_ADDR[7 - cnt_bit]; //页地址
else if((state == READ) && (cnt_byte == 16'd3) && (cnt_sck == 2'd0))
mosi <= BYTE_ADDR[7 - cnt_bit]; //字节地址
//miso_flag：miso提取标志信号
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
miso_flag <= 1'b0;
else if((cnt_byte >= 16'd4) && (cnt_sck == 2'd1))
miso_flag <= 1'b1;
else
miso_flag <= 1'b0;3.2.3 JTAG驱动模块
此模块主要通过JTAGIEEE 1149.1标准协议，对TAP控制器发送相应的指令，并把从FLASH中读出到的数据通过协议发送出去。
JTAG驱动代码
module jtag_pl
#(
parameter BIT_SIZE = 32'd100 //bit文件大小
)
(
input clk_in, //Y9
input ila_clk,
input rst, //T18
input key_begin,
input flash_tdo,
output reg flash_rd_en,
output reg led, //T22
output reg led1,//T21
output reg led2,//U22
output tck_out, //AA9
output tms_out, //Y10
output tdi_out, //Y11
input tdo_in //AA11
);
wire tck;
reg[7:0] count2;
reg[7:0] count5;
reg[15:0] count2000;
reg[32:0] count10000;
reg[7:0] state;
reg tms;
reg tdi;
reg[8:0] jprogram;
reg[8:0] cfg_in;
reg[8:0] jstart;然后给工程分配好引脚，编译综合得到bit文件
四、硬件连接
硬件连接主要是通过杜邦线连接zedboard任意IO口到被加载FPGA开发板，然后通过任意IO在外接一个FLASH，用来存储bin文件
五、测试前准备
首先建立一个被加载FPGA开发板的工程，我这边是设计了一个点灯的程序，首先通过Xilinx官方的下载器，下载到开发板，先看一下效果
这样可以确定加载的bit文件没问题，然后在vivado选择生成.bin文件，把生成的bin文件存储到FLASH中，供后续加载使用
六、下板测试
给加载FPGA开发板插上下载器，然后通过杜邦线连接被加载FPGA JTAG接口
给两个开发板都上电，先把第三步生成的bit文件烧写到加载FPGA开发板，然后通过按键去触发，程序加载，完整流程如下所示
由上视频可以看出，JTAG加载速度非常快，而且很稳定
这样咱们就大功告成了！！！成功通过一个开发板去加载另外一个开发板。
这次仅仅测试加载了ZYNQ的PL端，但是他完全适用于A7、K7等Xilinx的纯FPGA开发板，只需要在FLASH中bin文件进行修改即可。
后续我将继续给大家讲解，如何通过JTAG给ZYNQ加载PS端程序以及加载操作系统到ZYNQ。
制作不易，记得三连哦，给我动力，持续更新！！！
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