基于XVC网络协议实现了基于JTAG接口的FPGA 的远程更新与调试

摘要：同步辐射光源硅像素探测器是面向北京先进光源对X 射线探测的重大技术需求所研发的新型仪器。该探测器处于辐射环境中，且多个前端电子学读出板被放置在密封的冷却容器中。为在不打开冷却容器的情况下，脱离专用的USB-JTAG (Universal serial bus - joint test action group)下载电缆对现场可编程门阵列(Field programmable gate array, FPGA)进行远端升级，本文提出了一种基于XVC (Xilinx visual cable)协议，通过以太网，利用ARM 微控制器控制FPGA 的JTAG 接口对其进行远程更新与调试的方法。该方案附加电路少，易于拓展，同时也提高了更新可靠性。

前端探测器包含6 个前端模块，每个模块对应一个传感器以及8 个读出ASIC 芯片，芯片输出信号通过电平转换送到前端数据处理现场可编程门阵列(Field programmable gate array, FPGA)。FPGA 对信号进行缓冲验证，汇总处理后通过光纤传输到后端DAQ (Data acquisition)系统。图1 为前端数据处理框图。

 

图1 前端数据处理框图

由于整个前端探测器模块放置在密封的冷却容器中，而且整个探测器处在辐射环境中，方便可靠的FPGA 远程更新与调试方案成为电子学系统设计的重要方面。显然传统的基于USB-JTAG (Universalserial bus - joint test action group)更新FPGA 的方式已不再适用。

目前国内外出现的FPGA 远程更新的方案基本分为两大类[2]：一类是针对早期的内部没有专用远程升级电路的FPGA 器件，采用单片机CPLD(Complex Programmable Logic Device)、DSP (Digital Signal Processor)、ARM (Acorn RISC Machine)等作为辅助配置器件[3]，配合外部Flash 和以太网芯片来实现，这些方案灵活性高但设计复杂且提高了成本；另一类是针对最新推出的FPGA 器件，其自带了远程升级内核或逻辑块，只要结合外部数据配置通道，即可实现远程更新，该方案附加电路少，节省硬件资源，但却占用了FPGA 的内部逻辑资源，而且只适用特定型号的FPGA。另外，上述两类方案均无法实现对FPGA 的远程调试，还需要在PC 端开发用于远程更新的TCP/IP 软件，增加了设计复杂度。考虑到基于JTAG 的下载方式在FPGA 配置、Flash PROM 配置、软/硬件调试以及硬件测试方面的重要用途，本文设计了一种基于XVC (Xilinx visual cable)协议，通过以太网，使用单芯片ARM微控制器控制FPGA 的JTAG 接口进行远程更新调试的方案。该方案操作简单，无需额外开发TCP/IP软件，基于网络的通信能够保证足够远距离的灵活的可靠数据传输。还能对FPGA 进行远程ChipScope调试。同时，通过简单的JTAG 链路连接，可以同时完成多片FPGA 的升级与调试[4]。

1 硬件系统实现

在本设计中，ARM 微控制器通过模拟JTAG 接口的时序对FPGA 进行配置。针对多片FPGA 进行远程更新的系统框图如图2。

 

图2 系统模块框图

系统硬件电路主要由ARM 微控制器、JTAG 链路模块、LVDS (Low-voltage differential signaling)模块组成。ARM 选择Wiznet 公司的W7200 开发板作为配置控制器，一端通过网络与PC 建立连接，另一端通过外设的GPIO (General purpose input output)传输JTAG 配置时序。LVDS 模块负责将JTAG 单端信号转换为低压差分对信号，一对一发送给待更新的FPGA。多片待更新FPGA 的JTAG 链通过另外一块FPGA 开发板上的主控FPGA 芯片XC6SLX45的内部逻辑来实现，板上用9 个接插件引出FPGA的9 组I/O，分别连接W7200 和8 个LVDS 模块。其中， LVDS 模块和主控FPGA 开发板以子母板的形式连接。

远程更新时，PC 端使用iMPACT 将包含配置的指令通过网络发送给W7200，W7200 根据XVC 协议接收指令并模拟产生JTAG 时序，主控FPGA 接收该时序并通过JTAG 链路送入待配置FPGA，完成最终配置。

W7200 是Wiznet 公司推出的一款单芯片集成了硬件TCP/IP 协议栈的ARM Cortex-M3 微处理器[5]。内有20 KB 的SRAM 和128 KB 的Flash 以及32 KB 的以太网RX/TX 缓存，具有最高72 MHz的工作频率，有足够的能力进行数据处理。硬件TCP/IP 协议支持 TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP、PPPoE 和以太网，这些协议在各种应用领域已经得到多年的验证。其结构如图3 所示。

 

图3 W7200 结构框图

W7200 的内核采用32 位的STM32F103CB，通过SPI 与W5200 连接，外部拓展40 个引脚，负责提供该系统的GPIO、I2C、SPI、USB 以及USART接口，集成度高却具有很低的功耗。W5200 为该公司推出的全硬件TCP/IP 芯片，负责为该系统提供各类硬件TCP/IP 协议、MAC 以及PHY，支持8 个独立的socket 同时工作。使用该芯片的优势是通过简单的socket 编程，用户便可以轻松实现所需的以太网通信，而不必要处理复杂TCP/IP 协议栈控制。

2 软件设计

2.1 JTAG 工作方式
JTAG是符合IEEE 1149.1 标准的国际标准测试协议[6]，主要用于各类芯片的内部测试和配置。现在大多数高级器件（包括FPGA、MCU、DSP 以及CPU 等）都支持JTAG 协议。标准的JTAG 接口是4 线接口：模式选择(TMS)、时钟(TCK)、数据输入(TDI)以及数据输出(TDO)信号线。

JTAG 工作原理是在器件内部定义一个TAP(Test Access Port)测试访问端口，外部控制器通过TAP 可以访问芯片提供的所有数据寄存器和指令寄存器。使用JTAG 方式配置FPGA 时，通过TCK 和TMS 的值，选定一个需要访问的数据/指令寄存器，将其连接到TDI 和TDO 之间。然后由TCK 驱动，通过TDI，把需要的数据/指令输入到选定的数据/指令寄存器中，同时把对应的寄存器中的值通过TDO 读出来。JTAG 接口在线编程和调试的特征改变了传统生产流程，配置效率高，是项目研发阶段必不可少的配置模式。

2.2 XVC 协议
XVC 协议是Xilinx 公司推出的一款基于TCP/IP 的虚拟线缆协议[7]，它可发挥类似于 JTAG线缆的作用，允许用户无需使用USB 线缆而是通过网络访问Xilinx FPGA 的JTAG 接口并对其进行高效率的远程更新与调试。该协议还具有扩展性，可进行安全连接，允许用户通过编程将其实现于不同的平台。

XVC 协议内容简单，使用方便，其基本内容可总结为如下三条指令：
1) getinfo:
该指令用于获取XVC 服务的版本。当接收到“getinfo:”指令时，该服务将会返回如下的字符串：“ xvcServer_v1.0; ”， 其中，代表了该协议一次能移位发送的字节向量的最大长度。

2) shift:[num bits][tms vector][tdi vector]
该指令表示分别以字节向量TMS vector 和TDI vector 的形式发送num_bits 个二进制数据。其中，num_bits 是一个小端格式的整数，TMS vector和 TDI vector 代表所要发送的TMS 和TDI 的二进制数据。发送过程中，0 字节的0 比特位首先被发送出去，字节向量的长度会根据num_bits 的值向上补齐成最接近的字节数。该指令最终应该返回与TMS vector 向量同样长度的字节向量TDO vector，代表从JTAG 接口返回的所有的TDO。同样也是0字节的0 比特位首先被接收回来。

3) settck:[period in ns]
该指令表示将该协议通信的时钟周期设置为period 纳秒。period 同样是一个小端格式的整数值。使用该指令最终应该返回实际的周期值。

iMPACT 和ChipScope 通过网络访问FPGA 的JTAG 接口的基本原理就是基于XVC 协议发送shift指令，实现JTAG-Client 的功能[8]。因此只要ARM微控制器根据shift 指令格式分析数据，便能成功模拟JTAG 时序，实现类似于JTAG-Server 的功能。JTAG-Server 与JTAG-Client 的结构如图4。

 

图4 JTAG 服务器与客户端

2.3 FPGA 软件设计
在本设计中，主控FPGA 负责实现8 片待更新FPGA 的JTAG 链路。一组I/O 口用于接收W7200的配置时序，另外8 组I/O 口分别连接8 个LVDS模块的输入。一个4 位的拨码开关用来控制接入JTAG 链的FPGA 的个数。

2.4 ARM 软件设计
本方案使用基于JTAG 的配置方式，W7200 作为配置控制器，其通用I/O 引脚PB12、PB13、PB14、PB15 分别作为JTAG 接口的TMS、TCK、TDO 和TDI。W7200 的工作流程如图5 所示。其应用程序用C 语言开发生成，Keil MDK 进行编译调试。主要包括W7200 初始化和指令处理两部分。

首先，W720 初始化的内容包括：设置系统工作时钟、中断、GPIO/SPI、接收与发送缓存大小以及网络设置。由于iMPACT 软件每次发送shift 指令的最大长度为2 256 byte，故设置接收缓存区RX_BUF 大小为2 256，而发送缓存区TX_BUF 大小为1178。网络设置包括选择打开socket0 进行网络通信，并设置其通信协议为TCP，端口号为5000，并为其分配IP 地址和MAC 地址。初始化完成后，W7200 会作为TCP server 打开socket0 监听网络上的连接请求。

 

图5 更新流程

W7200 处理指令的过程为：从 socket0 的接收数据缓冲区接收6 个字节，若与字符串shift:对比相同，则继续读取4 字节的内容作为num_bits，通过计算将其转换为字节数nr_bytes。接着按该字节数分别读取TMS vector 和 TDI vector 到接收缓存区RX_BUF，然后通过for 循环分别将TMS vector 和TDI vector 的每一位赋值给TMS 和TDI 引脚，同时产生周期性的TCK 信号。该for 循环同时将TDO引脚上检测到的输入信号写入发送缓冲区TX_BUF，循环结束后以TDO vector 发送给PC。PC 验证收到的TDO 数据无误，继续通过shift 指令发送下一个数据包。由此便实现了一个完整的JTAG数据链路，从而实现了通过网络将配置数据经由JTAG 接口配置给FPGA 的过程。

3 远程更新

利用iMPACT 进行远程更新时的软件设置如图6 所示。首先打开iMPACT 软件，在边界扫描模式下选择菜单栏的output、Cable Setup，选择打开Xilinx_XVC 插件，更改连接对象的IP 地址与端口号，发送连接请求给W7200。

待成功建立socket 连接后，初始化JTAG 链，选择待配置FPGA 和配置文件并双击Program，PC端便按照shift 指令的格式发送配置指令和数据给W7200。配置结果如图7 所示。经过验证，为一片FPGA 成功配置大小为630 KB 的.bit 文件所需时间为21 s，配置1.41MB 的.bit 文件所需时间为48 s，配置速率均为240 KB·s−1。在相同环境下，配置不同大小的文件速率基本一致。该方案使电子学系统的远程更新和调试变得简单灵活。

 

图6 iMPACT 下载线设置

 

 

图7 成功更新FPGA

4 结语

本方案中，基于Xilinx 的XVC 协议，利用PC机与ARM 通过以太网通信，成功实现了基于JTAG接口的FPGA 的远程更新与调试。该方案实际只需要一个ARM 单芯片，无需其它额外的附加电路。在其他系统中应用时，可直接将W7200 芯片固化在电路板上，方便可靠。随着互联网的发展推进，通过网络进行硬件程序的更新将变得更加普遍。