摘要

随着目前军工领域雷达、导航、舰载、电子对抗、软件无线电等板卡及整机中 FPGA、DSP 等芯片的大量应用，对FPGA、DSP 的使用及方案架构优化能够有效提高 FPGA、DSP 等器件的系统集成性能，本文提出了一种基于XVC协议通过网络，利用专用加载处理芯片控制FPGA、DSP的JTAG接口对其进行远程调试和加载的方法。该方法架构简单，易于拓展，同时也提高了可靠性。

关键词

FPGA；远程调试；远程加载；网络

正文

一、引言

近年来，FPGA（现场可编程逻辑门阵列）技术发展迅速，凭借着高度的灵活性，越来越受欢迎，在军事、航空航天、通信、工业、人工智能等领域均得到广泛应用，已俨然成为数字系统的核心。FPGA的基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块RAM，布线资源，内嵌专用硬核，底层内嵌功能单元；FPGA最大特点是可编程，通过HDL（硬件描述语言）重新“编程”，实现FPGA性能优化或功能改变。

在以FPGA为核心的简单的系统中，对其中的FPGA的调试、加载都是通过传统的USB-JTAG（Universal Serial Bus – Joint Test Action Group）来完成的[1]，这在产品初始阶段非常适用，然而在实际工程应用中特别是军用电子设备，各种产品组装成一个庞杂的系统时，使用FPGA的数量非常多，如需对系统的多个FPGA进行调试、加载、更新时，常规的调试、加载方式就显得极其不方便，在架构和效能方面都有很大的限制，形成在FPGA 调试和加载中效率的瓶颈节点。

二、传统加载模式及缺点

目前采用的传统架构FPGA调试方式包括平台板卡、FPGA USB Cable、调试 PC 机（运行ISE、VIVADO等调试软件）几个部分组成，FPGA 器件与USB Cable之间采用排线以插针的方式连接，USB Cable与调试PC 机之间以USB线连接；针对这种调试架构和方式，存在以下几个缺点：

a) 由于传统USB下载线缆通过PC端USB接口供电，根据USB特性，在线长超过1.5米后电平和时种信号衰减严重，造成连接不稳定等问题。

b) FPGA固件程序固化速率慢。

c) 单次只能调试一个目标FPGA：目前方式下的USB下载线缆采用一对一的方式，如不经过复杂的电路设计很难做到同时调试多个目标 FPGA。

d) 受调试环境限制较大，整机装配后再调试困难。

e) 无法实现远程调试加载电路。

三、优化后远程调试加载系统设计

3.1硬件设计

在单模块中加入一片专用加载芯片（MCU），可以实现通过以太网的方式对 FPGA 、DSP等器件的远程加载功能，同时具备远程在线调试的功能。

该方案下的加载方式，只需要按固定的参考电路把专用加载处理芯片（MCU）加入到单板或整机设计中，就可以以网络方式实现对 FPGA 器件的调试和更新功能， MCU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进行远程调试加载的系统框图如图 1.

图 1 系统框图

系统硬件电路主要由MCU微控制器、FPGA电路、JTAG链路模块、SPI电路组成。MCU选择海威华芯公司的HHD1705001芯片，一端通过网络与PC终端连接，另一端通过JTAG接口传输JTAG配置时序，多片FPGA的JTAG采用菊花链的方式串联在一起，实现多片同时远程调试加载。

远程调试加载时，PC端使用XILINX公司的CHIPSCOPE、IMPACT、VIVADO工具将包含配置的指令通过网络发送给MCU，MCU根据XVC协议接收指令并模拟产生JTAG时序，FPGA芯片接收该时序并完成调试加载。

HHD1705001芯片是内嵌 ARM Cortex™ M3 核的32位高性能通用微控制器[2]。它采用 ARM 高性能双总线架构。其中内核最高工作频率可达72MHz，内置支持 32 位单周期硬件乘法运算。先进的ARM Thrum指令集技术，使HHD1705001指令更加精简，易于程序的设计和调试。

3.2软件设计

3.2.1 XVC协议

XVC协议是XILINX公司推出额一款基于TCP/IP的虚拟线缆[3]，它可以起到类似与JTAG线缆的作用，允许使用者通过网络直接访问FPGA的JTAG接口，并且可对FPGA进行高效率的远程调试和加载。Xilinx 针对此协议提出一套基本的参考协议，使用户充分发挥自身应用特点，通过其灵活的扩展性和可靠的安全连接，通过编程可用于不同平台。

3.2.2 MCU软件

本方案使用基于JTAG的配置方式，HHD1705001作为实现XVC的控制器，由HHD1705001的通用I/O管脚模拟JTAG接口的TCK、TMS、TDI、TDO。远程加载时，FPGA中需要加载一段程序用于引导自身程序的固化。通过事件触发切换将 SPI Flash引脚连接到 MCU的SPI接口，实现SPI Flash与MCU的网络下载链路，当 MCU 完成对SPI Flash 的写操作后自动触发FPGA 的加载 Flash 链路，实现Flash 的正常启动电路，同时给 FPGA 器件触发复位信号实现启动。经过对 XVC 协议的充分分析和优化，并优化HHD1705001 底层机制，采用软硬件结构的方式，优化相应的指令，使 HHD1705001芯片及优化后的XVC协议形成稳固的整体系统。

四、远程调试加载

利用VIVADO调试工具，打开Open Hardware Manager选择Open target，在“local host”右健选择 “Add Xilinx Virtual Cable” 输入目标IP，“192.168.2.198”为MCU的IP，需根据实际IP更改；“2542”为端口号，无需更改。如图 2所示，可直接进行调试加载。

图 2 远程调试示例图

五、结论

综上所述，本方案基于XILINX的XVC协议，利用PC端与MCU通过以太网通信，成功实现了对FPGA的远程调试和加载。本方案只需一片专用加载处理芯片，无需其它额外的附加电路，此远程调试加载方案优势如下：

a) 调试和更新距离不受限制，因采用以太网接口，用户可以在很远距离内实现以IP的方式对目标 FPGA 的调试和加载。

b) MCS和BIN文件固化速度快，因整个加载链路是通过网络数据传输，静态加载芯片以经过硬件优化的 SPI 接口高速将 MCS /BIN文件写入到 Flash 中，速率可达到 4MB/s，对照下载 XC7K325T（XILINX公司的FPGA型号）芯片 BIN文件只需要 3分钟左右。

c) 整体远程调试加载方法采用以太网的方式，从客户端来看，每个FPGA器件是以IP的形式连接，可以遵循以太网协议实现组网，通过路由器或交换机形成网络结构，对矩阵式设备的不移动、不拆卸调试。

在其它系统中应用时，可直接将此方法移植，方便可靠。随着电子设备的发展推进，通过网络进行FPGA的远程调试加载将变得更加普遍。

参考文献：

[1] 边界扫描测试技术发展综述，中国知网，2017

[2] HHD1705001网络传输专用处理电路产品手册，海威华芯，2018

[3]Xilinx Virtual Cable Running on Zynq-7000 Using the Tools, Xilinx，2015

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