基于FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的在線監(jiān)控

　　在SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及使用過(guò)程中，對(duì)其內(nèi)部行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控十分重要，目前普遍通過(guò)監(jiān)控端和目標(biāo)系統(tǒng)間的監(jiān)控信息通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，UART常用作通信信道。

　　目標(biāo)SoC系統(tǒng)常使用中斷方式或輪詢方式獲取監(jiān)控通信數(shù)據(jù)包，對(duì)其解析并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)操作后回復(fù)應(yīng)答信息。中斷方式中SoC需完成保存中斷現(xiàn)場(chǎng)、調(diào)用中斷服務(wù)程序、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)系列任務(wù)，上下文的切換占據(jù)了系統(tǒng)額外開(kāi)銷；輪詢方式中，系統(tǒng)定時(shí)檢查設(shè)備請(qǐng)求，若有數(shù)據(jù)到達(dá)則調(diào)用相應(yīng)處理程序，固定的輪詢周期增加了數(shù)據(jù)等待處理時(shí)間，數(shù)據(jù)量較小時(shí)頻繁查詢?cè)斐蓪?duì)CPU資源的浪費(fèi)。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種的新監(jiān)控方法，設(shè)計(jì)一個(gè)FPGA通信系統(tǒng)，由其作為SoC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交互的橋梁，負(fù)責(zé)完成在線監(jiān)控的通信過(guò)程，保證被調(diào)試系統(tǒng)和調(diào)試主機(jī)之間調(diào)試信息和命令的交互可靠性，可避免目標(biāo)SoC頻繁的處理通信中斷，提高其控制性能。監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)機(jī)制與通信系統(tǒng)主要模塊的設(shè)計(jì)方法將被討論，通過(guò)對(duì)比嵌入式CPU在不同監(jiān)控方法中的通信時(shí)間消耗，說(shuō)明該方法具有一定實(shí)用價(jià)值。

　　1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

　　基于FPGA設(shè)計(jì)片上通信系統(tǒng)如圖1所示，其主要組成部分為Modbus解析模塊和雙口RAM存儲(chǔ)模塊。上位機(jī)發(fā)出監(jiān)控命令幀數(shù)據(jù)時(shí)，由Modbus模塊完成命令幀的接收、解析過(guò)程，并將待操作地址、數(shù)據(jù)等信息存入雙口RAM中，目標(biāo)CPU據(jù)此將自身內(nèi)存映像區(qū)的相應(yīng)數(shù)據(jù)一次搬入雙口RAM，搬移完畢后，Modbus協(xié)議模塊進(jìn)行應(yīng)答數(shù)據(jù)組幀，并向監(jiān)控上位機(jī)發(fā)回應(yīng)答數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠采集。

　　圖 1 通信系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

　　2 基于雙口RAM的數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)

　　2.1 雙口RAM定制及內(nèi)存映射設(shè)計(jì)

　　目標(biāo)SoC中的待監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)量在內(nèi)存中的存儲(chǔ)方式，可抽象表示為如圖2中內(nèi)存映像。

　　圖 2 雙口 RAM 的內(nèi)存映射機(jī)制

　　雙口RAM中存儲(chǔ)當(dāng)前待監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)象集合，是目標(biāo)CPU內(nèi)存映像區(qū)的一個(gè)數(shù)據(jù)子集。由于當(dāng)前監(jiān)控對(duì)象可隨機(jī)落在內(nèi)存映像區(qū)的任意存儲(chǔ)塊上，雙口RAM的內(nèi)存映射方式選取為隨機(jī)映射，如圖2所示。

　　分散存放于CPU內(nèi)存映像區(qū)的監(jiān)控對(duì)象，映射為雙口RAM中的連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)。上位機(jī)基于Modbus協(xié)議與FPGA片上系統(tǒng)通信時(shí)，訪問(wèn)連續(xù)的地址單元，保證了數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度，提高系統(tǒng)的通信效率。

　　2.2 雙口RAM中的數(shù)據(jù)操作設(shè)計(jì)

　　2.2.1 上位機(jī)對(duì)雙口RAM的讀寫(xiě)操作

　　PC上位機(jī)為通信發(fā)起方，通過(guò)串口與FPGA片上系統(tǒng)連接，采用Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成對(duì)運(yùn)行參數(shù)的讀取和寫(xiě)入等操作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。

　　表 1 監(jiān)控通信過(guò)程占用 CPU 時(shí)間

　　用戶在人機(jī)界面輸入本次待監(jiān)控對(duì)象信息， 后臺(tái)軟件依據(jù)Modbus幀結(jié)構(gòu)及約定的雙口RAM內(nèi)存映射機(jī)制，組成監(jiān)控命令幀并通過(guò)串口發(fā)出。FPGA片上系統(tǒng)對(duì)收到的命令幀進(jìn)行解析，獲取操作功能碼、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)包大小等信息，據(jù)此向雙口RAM區(qū)寫(xiě)入待操作數(shù)據(jù)地址集，寫(xiě)入完畢后向目標(biāo)CPU申請(qǐng)通信中斷。根據(jù)Modbus命令幀中給出的數(shù)據(jù)操作長(zhǎng)度，一次可對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。

　　2.2.2 目標(biāo)CPU對(duì)雙口RAM的讀寫(xiě)操作

　　目標(biāo)CPU收到通信中斷請(qǐng)求后，讀雙口RAM區(qū)的中斷郵箱，郵箱信息包含本次申請(qǐng)功能（讀或?qū)懀┘吧暾?qǐng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)個(gè)數(shù)等。根據(jù)申請(qǐng)地址集，將自身內(nèi)存映像區(qū)相應(yīng)數(shù)據(jù)集一次搬入雙口RAM，或?qū)㈦p口RAM中數(shù)據(jù)集一次搬入內(nèi)存映像區(qū)相應(yīng)地址處，搬移完畢后，清空中斷郵箱，向監(jiān)控模塊發(fā)出中斷應(yīng)答。