基于JTAG虚拟技术的FPGA远程在线调测方法

摘要

本发明涉及一种基于JTAG虚拟技术的FPGA远程在线调测方法，其中包括：通过MFC编写基于DSF架构的远程调测软件，包含FPGA板卡的添加、删除、连接等模块，并实现对JTAG设备功能的模拟；测试板卡以TM4C129XNCZAD ARM处理器为核心，使用实时操作系统实现多线程控制；ARM通过网络和远程调测软件交互，接收其下发的USB命令；并将其转换成USB数据包与JTAG转换电路进行交互。

说明书

技术领域

本发明属于在雷达或数字信号处理领域中方法应用的FPGA远程在线调测领域，克服了 研发人员在FPGA调测时经常遇到的环境问题，并且方便了雷达数字T/R组件的调测，具有 一定的应用价值。

背景技术

FPGA在雷达信号处理中的使用越来越广泛，目前大部分都需要通过专门的USB JTAG 电缆进行bit、bin文件下载配置、在线调试等。但是USB JTAG电缆的传输距离有限，在某 些狭小空间和无人值守的场所十分不方便；另外在调测雷达数字T/R组件时需要将封闭的盒 子打开才能进行调测工作，随着组件个数的增加，无疑加剧了研发人员不必要的工作量，在 这种背景下考虑开发FPGA的远程bit流下载和在线调测方法。

目前国内外普遍集中在远程FPGA配置上，对于远程FPGA调测研究较少。

国外只有Xilinx公司本身impact中自带了一个网络调试，但是该方法较落后，需要两台 调试计算机，其中一台调试计算机仍然采用USB电缆和FPGA板卡相连，而用网线和另外一 台调测计算机相连，进行交互。这种方法并没有解决远程调测的实质，仍然是需要USB电缆， 需要打开机壳插入USB下载线。

国内有魂芯国产DSP板的网络调试盒，但是无法满足FPGA的调测。中科海讯公司的板 卡也有类似的网络调试，但是其需要加入的电路复杂，且无法满足日益更新的FPGA的需求。

通过对国内外的研究可以得出，目前国内外对FPGA的远程配置调测研究上，多将配置 和调测进行分开，对于配置的研究较为成熟，而调测基本上局限于实验室、或者人机在现场， 没有一个合适的方案将这两种进行统一。

本发明在调试计算机端基于DSF架构虚拟JTAG设备，在板卡端基于ARM开发USB转 JTAG电路，针对Xilinx公司的FPGA，iMpact和ChipScope调试软件开发了FPGA网络在线 调测方法。本发明可以替代目前使用的JTAG下载电缆，方便了用户的配置、调测工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种远程在线调测Xilinx FPGA的方法。

本发明利用网络接口方便、传输距离远的优点，在FPGA板卡上嵌入相应电路，直接通 过FPGA板卡网口连接到调试计算机实现远程bit流下载、在线调测功能。

实现本发明目的的设计思路为：调试计算机端开发远程调测软件，以供用户选择需要调 测的FPGA板卡，从而连接底层硬件。并采用Windows Develop Kit中的dsf架构模拟出可用 的虚拟JTAG设备，从而安装设备驱动。在ChipScope或iMpact软件进行USB操作时，即被 虚拟设备截获，再通过网络与FPGA板卡交互，从而可以像操作实际硬件一样操作虚拟设备， 实现远程操作。

FPGA板卡上增加了一小块嵌入式电路，以基于Cortex-M4的ARM处理器为核心，设计 其外围电路和FT2232USB转JTAG电路；

ARM完成网络数据通信和USB数据传输。首先ARM在NDK网络堆栈初始化之后，建 立TCP网络连接，接收调试计算机端发送的USB传输命令或数据，将其转换成USB数据包， 通过USB2.0PHY芯片和FT2232进行交互，然后把从FT2232得到的USB数据转换为网络 数据包发送给调试计算机端。

附图说明

图1系统框图。

图2网络传输流程图。

具体实施方式

本发明采用的技术方案为：采用网线替代传统的USB电缆连接调试计算机和调测板卡， 调试计算机端开发的远程调测软件，通过每块板卡分配的IP地址，实现板卡的添加、删除、 连接；并模拟出可用的JTAG设备；调测板卡以ARM处理器为核心，通过外部PHY芯片将 ARM从USB1.1扩展为USB2.0，并与FT2232进行交互，完成USB2.0和JTAG的转换；ARM 作为TCP连接的服务器端,接收客户端设备发送的USB传输命令或数据，根据预定的协议将 其转换成USB数据包,同时把从FT2232得到的USB数据转换为网络数据包发送给远程调测 软件；虚拟设备截获ChipScope或iMpact软件进行的USB操作，通过网络发送给ARM，ARM 再和实际硬件交互，最终实现远程在线调测。

本发明的整体架构如图1，主要包括调试计算机端的调测软件、调测板卡上的嵌入式电 路。

调测软件主体为一个对话框，具有板卡添加、删除、连接功能，用户选择对应IP地址的 板卡，程序则与对应板卡上的ARM建立TCP网络连接，并获取调测板卡上实际JTAG设备 的描述符、端点等信息，从而在计算机端基于DSF架构模拟出JTAG设备，仿佛设备确实连 接在计算机的USB端口，并安装设备驱动，设备管理器中出现Digilent Adapt Device设备。

JTAG设备的模拟主要是采用了微软公司驱动开发套件WDK中的Device Simulation  Framework架构，分为动态链接库和控制脚本两部分。动态链接库dll实现一个设备实体类， 控制脚本调用dll创建类对象，发出设备插拔等控制命令，并进一步调用动态链接库函数。动 态链接库实现的类中包括设备的设备描述符、配置描述符、设备接口端点信息、设备字符串 等结构体，并完成了处理标准USB请求、USB数据输入/输出请求的函数。本方法的设备中 有一个控制端点、一个IN端点、一个OUT端点，端点可以使用事件触发或轮询模式传输， 由于传输数据量大和速度快，本方法选用事件触发模式。板卡建立网络连接后，进行设备枚 举，触发标准USB请求事件，在事件处理函数中将标准/厂商请求命令按协议打包为网络包， 通过网络发送给ARM，等待ARM返回获取的实际硬件信息和状态信息。枚举成功则调试计 算机发现设备插入，安装设备驱动。ChipScope或iMpact软件则是和设备驱动打交道，设备 驱动再触发数据传输事件，其事件处理函数则类似地将命令打包发送给ARM，等待ARM返 回实际设备返回的响应数据，再翻译成USB数据返回给驱动，从而完成远程操作。

调测板卡基于FTDI公司的FT2232芯片设计了USB2.0转JTAG的电路，JTAG端连接 FPGA形成JTAG链路，USB端挂接在ARM上，ARM则充当USB主机。ARM上开发嵌入 式程序，完成网络和USB通信。

本发明选用的ARM芯片内部只实现了USB1.1的PHY，但是其USB控制器支持USB2.0 协议，并留有ULPI接口，但是需要外接一个PHY芯片，将其扩展，这里选用USB3320PHY 芯片。ARM上电后，首先进行USB2.0驱动初始化，使能ULPI接口，并复位USB3320设备， 对其进行工作模式配置。当USB设备通过PHY芯片连接上ARM后，PHY发送RXD CMD， 从而产生连接中断事件通知ARM；ARM调用枚举驱动对USB设备进行枚举。枚举的流程为： 先复位设备，接着检测设备运行在低速、全速还是高速模式，再获取USB设备的设备描述符 并重新分配地址，然后获取配置、字符串描述符等，最后为设备驱动程序选择配置。USB设 备枚举成功后，作为TCP服务器端，等待客户端软件连接，网络通信采用NDK网络开发包 来进行网络传输开发，具体的网络传输流程如图2。网络传输主要负责接收上层发送的命令 包，并按预定的协议解析成USB包，交给USB通信部分和实际设备FT2232进行通信，并反 馈给上层软件。

最终将ARM程序固化于芯片中，网线连接测试板卡和调试计算机。调试计算机端运行 远程控制软件，选择对应的板卡，与之建立连接，连接成功后在设备管理器中出现Digilent  Adapt Device设备。然后，用户通过Xilinx公司的iMPACT软件、ChipScope软件进行FPGA 的调测工作，如扫描PGA等JTAG链路、对FPGA芯片加载bit流、FPGA内部逻辑数据的 捕捉和分析。