利用Virtex-5系統監控器加強系統管理和診斷

　　電信行業(yè)要求具有很高的服務(wù)可用性-正如你一拿起電話(huà)就希望聽(tīng)到撥號音一樣。隨著(zhù)寬帶服務(wù)提供商爭相進(jìn)入音頻和視頻領(lǐng)域(伴隨所謂的"三重播放"的展開(kāi))，用戶(hù)期望他們可以在這些領(lǐng)域實(shí)現同樣的高可用性。

　　高可用性只能通過(guò)為構成系統的硬件提供冗余性來(lái)實(shí)現。然而，為了有效管理這種冗余，系統必須能夠監控自己的運行狀態(tài)，如果發(fā)生故障，系統必須在用戶(hù)覺(jué)察到任何故障停機之前切換到備用硬件。對物理環(huán)境的密切監控，讓運營(yíng)商可以在發(fā)生任何部件故障時(shí)采取積極行動(dòng)。這涉及到監控機架內部的物理環(huán)境，利用各種傳感器來(lái)記錄相關(guān)變量，比如溫度、電源電壓、濕度和冷卻性能等。

　　FPGA是高可用性基礎設施中的重要構建模塊。因此，應該密切監控系統內FPGA的片上環(huán)境及其周?chē)h(huán)境。Xilinx Virtex-5系統監控器可以更加輕松地監控FPGA及其外部環(huán)境。

　　Virtex-5系統監控器

　　Virtex-5系統監控器能夠讓用戶(hù)輕松獲得FPGA片上(晶片)溫度和電源條件方面的信息。它還可以通過(guò)外部模擬輸入通道獲取外部傳感器信息(最多可以監控17個(gè)外部傳感器)。獲取上述信息需要很少的設計努力，甚至不需要，具體取決于所需的功能。常見(jiàn)的功能，比如報警、自動(dòng)通道定序器和數據平均，都可以從系統監控器模塊中得到，這樣設計人員就能夠輕而易舉地開(kāi)發(fā)出一個(gè)解決方案。

　　圖1給出了Virtex-5系統監控器的結構圖。該監控器的核心是一個(gè)10位(每秒200,000個(gè)采樣)模數轉換器(ADC)。ADC的模擬輸入范圍是0~1V。在10比特的分辨率下，該ADC能夠處理的輸入電壓精度大約為1mV。

　　如圖1所示，片上傳感器和外部模擬輸入通道都通過(guò)模擬多路復用器與ADC輸入端相連。因此，從不同傳感器獲得的電壓必須由ADC轉化成數字量。測量結果被寫(xiě)入狀態(tài)寄存器，并能夠利用FPGA架構或者通過(guò)FPGA和PCB的JTAG基礎設施從外部輕松讀取上述狀態(tài)寄存器中的數據。利用同樣的接口也可以對監控器的控制寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作?？刂萍拇嫫鲗ο到y監控器的操作(例如，針對測試、編程報警極限和傳感器平均的要求選擇合適的傳感器通道)進(jìn)行配置。加電后不久系統監控器就完全進(jìn)入工作狀態(tài)，而且在不配置FPGA的條件下就能夠進(jìn)行正確的操作。默認情況下，加電后只會(huì )監控片上傳感器;但也可以啟用外部模擬輸入。配置前只能通過(guò)JTAG測試訪(fǎng)問(wèn)端口(TAP)獲取測量信息。

　　1. 用戶(hù)報警

　　系統監控器的實(shí)用內置特性之一是，它能為片上傳感器生成報警信號。設計師能夠設定上述報警信號的閾值。系統監控器可以自主監控這些傳感器，并且只有在檢測到報警狀態(tài)時(shí)才會(huì )對系統發(fā)出報警。

　　系統監控器還含有一個(gè)工廠(chǎng)設置的報警狀態(tài)，被稱(chēng)為過(guò)熱報警(OT)。一旦啟用該功能，如果檢測到晶片溫度高于125℃，系統監控器就會(huì )請求關(guān)閉整個(gè)芯片。當晶片冷卻到設定的溫度水平時(shí)，才給晶片加電。在芯片掉電期間，系統監控器會(huì )繼續操作片上傳感器，并且對其進(jìn)行監控。

　　默認情況下不會(huì )啟用OT功能，如果需要，必須明確啟用此功能方可生效。

　　2. 對“檢驗器”進(jìn)行檢驗

　　為了讓Virtex-5系統監控器提供精確而又可靠的環(huán)境信息，需要對測量數據和系統監控器操作進(jìn)行可靠性檢查。系統監控器擁有大量有助于保證操作可靠性的功能。ADC的內置自動(dòng)校準功能和傳感器可以糾正模擬測量系統中由工作環(huán)境造成的任何漂移。自檢功能還能讓系統主機對系統監控器的運行狀態(tài)進(jìn)行監控。

　　利用系統監控器JTAG訪(fǎng)問(wèn)功能

　　Virtex-5系統監控器還具備一個(gè)新功能，即通過(guò)JTAG TAP訪(fǎng)問(wèn)模塊的所有功能。通過(guò)實(shí)現模擬測試和訪(fǎng)問(wèn)模擬信息，您能夠利用系統中現有的JTAG獲得更大的價(jià)值和效率。在配置FPGA(該FPGA作為實(shí)際生產(chǎn)中PCB測試方案的一部分)之前或正常操作的過(guò)程中，可以訪(fǎng)問(wèn)這些功能，從而簡(jiǎn)化了調試。

　　為了簡(jiǎn)化PCB的電源電壓和電流之類(lèi)的片外測量，您可以在配置FPGA之前使用特殊的JTAG命令來(lái)為外部模擬輸入創(chuàng )造條件。即使配置完FPGA，系統監控器也不需要在設計中進(jìn)行明確例示，因此可以通過(guò)JTAG TAP訪(fǎng)問(wèn)那些用于實(shí)現調試功能的特性，即使是在設計后期。為了確保系統監控器的可用性，唯一的要求在于，必須提供正確的PCB支持。這涉及與系統監控器用戶(hù)指南中描述的外部2.5V參考IC進(jìn)行連接的問(wèn)題。

　　圖2顯示了一個(gè)典型診斷應用，在正常操作時(shí)對FPGA的物理運行環(huán)境進(jìn)行監控。在圖2的例子中，系統監控器用于觀(guān)察大電流需求期間(從t0時(shí)刻開(kāi)始)功率分配系統(PDS)中的電壓(IR)降。在上述高活動(dòng)期間，我們還監控了FPGA的溫度。能夠在開(kāi)發(fā)階段迅速確定電源或PCB設計的潛在問(wèn)題。JTAG訪(fǎng)問(wèn)功能還提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的方法，能夠確認特定設計是否配有適當的冷卻系統。ChipScope Pro分析器可以輕松訪(fǎng)問(wèn)系統監控器;而且，這種訪(fǎng)問(wèn)功能還能夠輕松地集成到其它JTAG測試和編程環(huán)境中。

　　系統集成

　　除了能夠利用JTAG TAP輕松訪(fǎng)問(wèn)系統監控器之外，還可以通過(guò)FPGA架構訪(fǎng)問(wèn)系統監控器的控制和狀態(tài)寄存器。利用FPGA架構可以在任何時(shí)刻對這些寄存器進(jìn)行配置和讀取。允許通過(guò)JTAG TAP控制器和架構接口對系統監控器的寄存器進(jìn)行雙重訪(fǎng)問(wèn)，并提供了相應的仲裁方案來(lái)管理可能出現的爭用現象。

　　在設計中例示系統監控器，并在FPGA配置過(guò)程中對其初始化時(shí)，還能夠定義這些寄存器的內容。因此，可以對系統監控器進(jìn)行配置使其以用戶(hù)自定義的運行(后配置)模式啟動(dòng)。架構接口就是我們所熟知的動(dòng)態(tài)重配置端口(DRP)。DRP是一個(gè)并行的16位同步數據端口(類(lèi)似于block RAM)。

　　對于需要對系統監控器進(jìn)行更多控制的高級應用(此時(shí))而言，DRP能夠讓系統監控器輕松地映射到硬/軟微處理器的外設地址空間中。圖3顯示了一個(gè)典型系統管理應用，這里MICroBlaze處理器運行一個(gè)類(lèi)似于協(xié)議的智能平臺管理接口(IPMI)，并且通過(guò)管理通道(如以太網(wǎng)，甚至是簡(jiǎn)單的UART/調制解調器)與系統主機進(jìn)行通信。

　　系統監控器還以通用ADC的形式提供了一個(gè)重要的微處理器外設。這是業(yè)界首次將微控制器中常見(jiàn)的模擬外設集成到FPGA中。此外，該系統還可以完全控制ADC操作。ADC提供了大量采樣模式，并且支持單極、雙極和全差分模擬輸入方案。

　　本文小結

　　Virtex-5系統監控器為一般的片上和外部環(huán)境監控需求提供了一個(gè)大大簡(jiǎn)化了的解決方案。其功能訪(fǎng)問(wèn)需要極少的開(kāi)發(fā)和設計工作。通過(guò)將系統監控器和JTAG TAP控制器連接在一起，JTAG功能已經(jīng)延伸到新的應用領(lǐng)域，從而實(shí)現了新的測試能力。我們非常希望收到您對本文所提到的任何專(zhuān)題的意見(jiàn)和反饋信息，特別是我們的開(kāi)發(fā)隊伍如何更好地為您的系統監控和測試需求提供支持。