一種基于FPGA的在線(xiàn)監控系統設計

　　在SoC系統的設計及使用過(guò)程中，對其內部行為的實(shí)時(shí)監控十分重要，目前普遍通過(guò)監控端和目標系統間的監控信息通信來(lái)實(shí)現，UART常用作通信信道。

　　目標SoC系統常使用中斷方式或輪詢(xún)方式獲取監控通信數據包，對其解析并進(jìn)行相應數據操作后回復應答信息。中斷方式中SoC需完成保存中斷現場(chǎng)、調用中斷服務(wù)程序、恢復現場(chǎng)系列任務(wù)，上下文的切換占據了系統額外開(kāi)銷(xiāo);輪詢(xún)方式中，系統定時(shí)檢查設備請求，若有數據到達則調用相應處理程序，固定的輪詢(xún)周期增加了數據等待處理時(shí)間，數據量較小時(shí)頻繁查詢(xún)造成對CPU資源的浪費。

　　針對上述問(wèn)題，提出一種的新監控方法，設計一個(gè)FPGA通信系統，由其作為SoC與監控計算機數據交互的橋梁，負責完成在線(xiàn)監控的通信過(guò)程，保證被調試系統和調試主機之間調試信息和命令的交互可靠性，可避免目標SoC頻繁的處理通信中斷，提高其控制性能。監控功能實(shí)現機制與通信系統主要模塊的設計方法將被討論，通過(guò)對比嵌入式CPU在不同監控方法中的通信時(shí)間消耗，說(shuō)明該方法具有一定實(shí)用價(jià)值。

　　1 系統組成結構

　　基于FPGA設計片上通信系統如圖1所示，其主要組成部分為Modbus解析模塊和雙口RAM存儲模塊。上位機發(fā)出監控命令幀數據時(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、數據等信息存入雙口RAM中，目標CPU據此將自身內存映像區的相應數據一次搬入雙口RAM，搬移完畢后，Modbus協(xié)議模塊進(jìn)行應答數據組幀，并向監控上位機發(fā)回應答數據，實(shí)現對監控數據的實(shí)時(shí)可靠采集。

　　圖 1 通信系統組成結構

　　2 基于雙口RAM的數據交互設計

　　2.1 雙口RAM定制及內存映射設計

　　目標SoC中的待監控數據狀態(tài)量在內存中的存儲方式，可抽象表示為如圖2中內存映像。

　　圖 2 雙口 RAM 的內存映射機制

　　雙口RAM中存儲當前待監控數據對象集合，是目標CPU內存映像區的一個(gè)數據子集。由于當前監控對象可隨機落在內存映像區的任意存儲塊上，雙口RAM的內存映射方式選取為隨機映射，如圖2所示。

　　分散存放于CPU內存映像區的監控對象，映射為雙口RAM中的連續存儲區。上位機基于Modbus協(xié)議與FPGA片上系統通信時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)連續的地址單元，保證了數據訪(fǎng)問(wèn)速度，提高系統的通信效率。

　　2.2 雙口RAM中的數據操作設計

　　2.2.1 上位機對雙口RAM的讀寫(xiě)操作

　　PC上位機為通信發(fā)起方，通過(guò)串口與FPGA片上系統連接，采用Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行數據通信，完成對運行參數的讀取和寫(xiě)入等操作，實(shí)現監控功能。

　　表 1 監控通信過(guò)程占用 CPU 時(shí)間

　　用戶(hù)在人機界面輸入本次待監控對象信息， 后臺軟件依據Modbus幀結構及約定的雙口RAM內存映射機制，組成監控命令幀并通過(guò)串口發(fā)出。FPGA片上系統對收到的命令幀進(jìn)行解析，獲取操作功能碼、目標地址、數據包大小等信息，據此向雙口RAM區寫(xiě)入待操作數據地址集，寫(xiě)入完畢后向目標CPU申請通信中斷。根據Modbus命令幀中給出的數據操作長(cháng)度，一次可對多個(gè)數據單元進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。