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論文旨在研究基于FPGA技術對嵌入式SoC系統進行在線監控的方法。設計了一個FPGA片上通信系統，該系統內部固化基于UART接口的Modbus通訊協議棧，可通過串口與PC上位機進行通信；且采用雙口RAM作為與監控對象間共享的數據緩存區，通過中斷機制實現數據的同步交換，既確保了監控數據的實時性，也避免了嵌入式系統因處理監控通信過程而帶來性能損失。采用VHDL語言設計實現了通信系統的各組成部分，在Altera的cycloneII系列芯片開發板上驗證了方案的可行性。 在SoC系統的設計及使用過程中，對其內部行為的實時監控十分重要，目前普遍通過監控端和目標系統間的監控信息通信來實現，UART常用作通信信道。 目標SoC系統常使用中斷方式或輪詢方式獲取監控通信數據包，對其解析并進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、調用中斷服務程序、恢復現場系列任務，上下文的切換占據了系統額外開銷；輪詢方式中，系統定時檢查設備請求，若有數據到達則調用相應處理程序，固定的輪詢周期增加了數據等待處理時間，數據量較小時頻繁查詢造成對CPU資源的浪費。 針對上述問題，提出一種的新監控方法，設計一個FPGA通信系統，由其作為SoC與監控計算機數據交互的橋梁，負責完成在線監控的通信過程，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。監控功能實現機制與通信系統主要模塊的設計方法將被討論，通過對比嵌入式CPU在不同監控方法中的通信時間消耗，說明該方法具有一定實用價值。 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。上位機發出監控命令幀數據時，由Modbus模塊完成命令幀的接收、解析過程，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協議模塊進行應答數據組幀，并向監控上位機發回應答數據，實現對監控數據的實時可靠采集。 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協議與FPGA片上系統通信時，訪問連續的地址單元，保證了數據訪問速度，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的讀寫操作 PC上位機為通信發起方，通過串口與FPGA片上系統連接，采用Modbus-RTU協議進行數據通信，完成對運行參數的讀取和寫入等操作，實現監控功能。 表 1 監控通信過程占用 CPU 時間 用戶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串口發出。FPGA片上系統對收到的命令幀進行解析，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區寫入待操作數據地址集，寫入完畢后向目標CPU申請通信中斷。根據Modbus命令幀中給出的數據操作長度，一次可對多個數據單元進行讀/寫操作。 2.2.2 目標CPU對雙口RAM的讀寫操作 目標CPU收到通信中斷請求后，讀雙口RAM區的中斷郵箱，郵箱信息包含本次申請功能(讀或寫)及申請的數據項個數等。根據申請地址集，將自身內存映像區相應數據集一次搬入雙口RAM，或將雙口RAM中數據集一次搬入內存映像區相應地址處，搬移完畢后，清空中斷郵箱，向監控模塊發出中斷應答。 3 Modbus協議棧模塊的設計與實現 采用自頂向下的設計方法，根據功能需求設計Modbus協議棧頂層原理框圖如圖3。使用VHDL硬件描述語言編程實現各組成子模塊，功能如下述。 圖 3 Modbus 協議棧頂層框圖 (1)時鐘生成模塊：通過分頻和相移產生位時鐘clk和1/16位時鐘bclk，作為控制其他模塊的運行節拍，保證系統運行同步。 (2)串口接收模塊：以bclk作為控制時鐘，對接收的位數據作中點采樣，進行串并裝換得到字節數據。 (3)串口發送模塊：以bclk作為控制時鐘，發送使能信號有效時，輸入端的字節數據進行并串裝換，通過串口發出。 (4)接收控制模塊：判斷幀的起始、結束、是否接收錯誤；提供地址數據，接收的字節數據被存儲至RAM1中相應存儲單元。 (5)CRC校驗/生成模塊：使用基于字節的CRC_16校驗碼運算方法。接收端的校驗過程與數據接收同步進行，接收控制模塊每收到一個字節數據，CRC校驗模塊對其作一次CRC碼計算；CRC生成模塊運行機制類同。同步運算可有效減少一次對幀數據的遍歷。 (6)解析主控模塊：作為系統的核心，負責解析收到的命令幀，根據解析信息進行數據讀寫操作，組成應答幀，控制串口發送模塊發送應答數據等多項任務。收到一個校驗無誤的命令幀后，控制讀取接收緩存區RAM1中數據，比照Modbus幀格式解析命令幀含義，通過對外數據、地址等接口完成對雙口RAM的讀寫操作；解析及操作完畢后，控制應答幀組幀過程，將應答數據依次寫入RAM2發送緩存區，全部寫入后，將CRC生成模塊中CRC_16校驗值按低位在前高位在后順序，依次存放到發送緩存的下兩個地址位置處，此時應答幀準備完畢；控制發出應答幀，依次讀取出發送緩存區數據(讀脈沖間的時間間隔至少大于串口發送單個字節所需時間)，每取出一個數據，提供發送使能脈沖供串口發送模塊工作，脈寬等于串口發送單個字節所需時間，直至應答幀全部發送完畢。 (7)接收緩存RAM1/發送緩存RAM2：存儲串口接收模塊收到的字節數據/存儲待發送的應答幀。 4 性能分析 分析監控通信對Soc系統性能的影響，設定一系列參數如下：時間基數T(min)、監控頻率m(幀/min)、監控命令幀平均長度n(byte/幀)、Soc主循環平均周期k(ms)、通信波特率B(bit/s)、中斷處理指令數r(條)、查詢語句指令數s(條)、處理器主頻f(HZ)。針對常用的輪詢監控、中斷監控，及該文所提出的基于FPGA的DRAM監控方法，可按照表1公式計算其監控通信過程占用的CPU時間。 對于常用ARM處理器，可例舉部分參數值f=72M，r=15，s=5。設定其余參數值T=1，m=100，n=30，k=0.05，B=115200。在當前設定下，計算得出三種監控方法對CPU的時間占用百分比，如表1所示。對比應用單一的中斷或輪詢方式，使用該文提出的監控方法時，嵌入式系統CPU的利用率得到了明顯的提高。 5 結語 該文提出一種針對嵌入式片上系統的在線監控方法。利用FPGA技術設計了輔助監控系統，由該系統完成監控通信過程中的接收通信命令幀、解析命令幀及組成應答數據幀等任務，加快了對通信數據的處理速度。SoC有效減少了處理監控所需時間，更集中于其控制功能的執行，從而獲得更高的實時性。設計工作在Altera公司的QuartusII開發平臺上采用VHDL語言完成，使用CycoloneII系列芯片作功能驗證，通信系統的Modbus接口與上位機在115200的波特率下收發正確，雙口RAM內數據交互穩定，達到了預計效果。 |
