基于XVC网络协议实现了基于JTAG接口的FPGA 的远程更新与调试

基于XVC网络协议实现了基于JTAG接口的FPGA的远程更新与调试摘要：同步辐射光源硅像素探测器是面向北京先进光源对X射线探测的重大技术需求所研发的新型仪器。该探测器处于辐射环境中，且多个前端电子学读出板被放置在密封的冷却容器中。为在不打开冷却容器的情况下，脱离专用的USB-JTAG(Universalserialbus-jointtestactiongroup)下载电缆对现场可编程门阵列(Fieldprogrammablegatearray,FPGA)进行远端升级，本文提出了一种基于XVC(Xilinxvisualcable)协议，通过以太网，利用ARM微控制器控制FPGA的JTAG接口对其进行远程更新与调试的方法。该方案附加电路少，易于拓展，同时也提高了更新可靠性。前端探测器包含6个前端模块，每个模块对应一个传感器以及8个读出ASIC芯片，芯片输出信号通过电平转换送到前端数据处理现场可编程门阵列(Fieldprogrammablegatearray,FPGA)。FPGA对信号进行缓冲验证，汇总处理后通过光纤传输到后端DAQ(Dataacquisition)系统。图1为前端数据处理框图。

图1前端数据处理框图由于整个前端探测器模块放置在密封的冷却容器中，而且整个探测器处在辐射环境中，方便可靠的FPGA远程更新与调试方案成为电子学系统设计的重要方面。显然传统的基于USB-JTAG(Universalserialbus-jointtestactiongroup)更新FPGA的方式已不再适用。目前国内外出现的FPGA远程更新的方案基本分为两大类[2]：一类是针对早期的内部没有专用远程升级电路的FPGA器件，采用单片机CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)、DSP(DigitalSignalProcessor)、ARM(AcornRISCMachine)等作为辅助配置器件[3]，配合外部Flash和以太网芯片来实现，这些方案灵活性高但设计复杂且提高了成本；另一类是针对最新推出的FPGA器件，其自带了远程升级内核或逻辑块，只要结合外部数据配置通道，即可实现远程更新，该方案附加电路少，节省硬件资源，但却占用了FPGA的内部逻辑资源，而且只适用特定型号的FPGA。另外，上述两类方案均无法实现对FPGA的远程调试，还需要在PC端开发用于远程更新的TCP/IP软件，增加了设计复杂度。考虑到基于JTAG的下载方式在FPGA配置、FlashPROM配置、软/硬件调试以及硬件测试方面的重要用途，本文设计了一种基于XVC(Xilinxvisualcable)协议，通过以太网，使用单芯片ARM微控制器控制FPGA的JTAG接口进行远程更新调试的方案。该方案操作简单，无需额外开发TCP/IP软件，基于网络的通信能够保证足够远距离的灵活的可靠数据传输。还能对FPGA进行远程ChipScope调试。同时，通过简单的JTAG链路连接，可以同时完成多片FPGA的升级与调试[4]。1硬件系统实现在本设计中，ARM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进行远程更新的系统框图如图2。

图2系统模块框图系统硬件电路主要由ARM微控制器、JTAG链路模块、LVDS(Low-voltagedifferentialsignaling)模块组成。ARM选择Wiznet公司的W7200开发板作为配置控制器，一端通过网络与PC建立连接，另一端通过外设的GPIO(Generalpurposeinputoutput)传输JTAG配置时序。LVDS模块负责将JTAG单端信号转换为低压差分对信号，一对一发送给待更新的FPGA。多片待更新FPGA的JTAG链通过另外一块FPGA开发板上的主控FPGA芯片XC6SLX45的内部逻辑来实现，板上用9个接插件引出FPGA的9组I/O，分别连接W7200和8个LVDS模块。其中，LVDS模块和主控FPGA开发板以子母板的形式连接。远程更新时，PC端使用iMPACT将包含配置的指令通过网络发送给W7200，W7200根据XVC协议接收指令并模拟产生JTAG时序，主控FPGA接收该时序并通过JTAG链路送入待配置FPGA，完成最终配置。W7200是Wiznet公司推出的一款单芯片集成了硬件TCP/IP协议栈的ARMCortex-M3微处理器[5]。内有20KB的SRAM和128KB的Flash以及32KB的以太网RX/TX缓存，具有最高72MHz的工作频率，有足够的能