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 (universal serial bus - joint test action group)下载电缆对现场可编程门阵列(field programmable gate array, fpga)进行远端升级，本文提出了一种基于xvc (xilinx visual cable)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(field programmable gate array, 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 (data acquisition)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 (universalserial bus - joint test action group)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(complex programmable logic device)、dsp (digital signal processor)、arm (acorn risc machine)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、flash prom 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 (xilinx visual cable)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-voltage differential signaling)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 (general purpose input output)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arm cortex-m3 微处理器[5]。内有20 kb 的sram 和128 kb 的flash 以及32 kb 的以太网rx/tx 缓存，具有最高72 mhz的工作频率，有足够的能力进行数据处理。硬件tcp/ip 协议支持 tcp、udp、ipv4、icmp、arp、igmp、pppoe 和以太网，这些协议在各种应用领域已经得到多年的验证。其结构如图3 所示。
图3 w7200 结构框图
w7200 的内核采用32 位的stm32f103cb，通过spi 与w5200 连接，外部拓展40 个引脚，负责提供该系统的gpio、i2c、spi、usb 以及usart接口，集成度高却具有很低的功耗。w5200 为该公司推出的全硬件tcp/ip 芯片，负责为该系统提供各类硬件tcp/ip 协议、mac 以及phy，支持8 个独立的socket 同时工作。使用该芯片的优势是通过简单的socket 编程，用户便可以轻松实现所需的以太网通信，而不必要处理复杂tcp/ip 协议栈控制。
2 软件设计 2.1 jtag 工作方式
jtag是符合ieee 1149.1 标准的国际标准测试协议[6]，主要用于各类芯片的内部测试和配置。现在大多数高级器件（包括fpga、mcu、dsp 以及cpu 等）都支持jtag 协议。标准的jtag 接口是4 线接口：模式选择(tms)、时钟(tck)、数据输入(tdi)以及数据输出(tdo)信号线。
jtag 工作原理是在器件内部定义一个tap(test access port)测试访问端口，外部控制器通过tap 可以访问芯片提供的所有数据寄存器和指令寄存器。使用jtag 方式配置fpga 时，通过tck 和tms 的值，选定一个需要访问的数据/指令寄存器，将其连接到tdi 和tdo 之间。然后由tck 驱动，通过tdi，把需要的数据/指令输入到选定的数据/指令寄存器中，同时把对应的寄存器中的值通过tdo 读出来。jtag 接口在线编程和调试的特征改变了传统生产流程，配置效率高，是项目研发阶段必不可少的配置模式。
2.2 xvc 协议
xvc 协议是xilinx 公司推出的一款基于tcp/ip 的虚拟线缆协议[7]，它可发挥类似于 jtag线缆的作用，允许用户无需使用usb 线缆而是通过网络访问xilinx fpga 的jtag 接口并对其进行高效率的远程更新与调试。该协议还具有扩展性，可进行安全连接，允许用户通过编程将其实现于不同的平台。
xvc 协议内容简单，使用方便，其基本内容可总结为如下三条指令：
1) getinfo:
该指令用于获取xvc 服务的版本。当接收到“getinfo:”指令时，该服务将会返回如下的字符串：“ xvcserver_v1.0; ”， 其中，代表了该协议一次能移位发送的字节向量的最大长度。
2) shift:[num bits][tms vector][tdi vector]
该指令表示分别以字节向量tms vector 和tdi vector 的形式发送num_bits 个二进制数据。其中，num_bits 是一个小端格式的整数，tms vector和 tdi vector 代表所要发送的tms 和tdi 的二进制数据。发送过程中，0 字节的0 比特位首先被发送出去，字节向量的长度会根据num_bits 的值向上补齐成最接近的字节数。该指令最终应该返回与tms vector 向量同样长度的字节向量tdo vector，代表从jtag 接口返回的所有的tdo。同样也是0字节的0 比特位首先被接收回来。
3) settck:[period in ns]
该指令表示将该协议通信的时钟周期设置为period 纳秒。period 同样是一个小端格式的整数值。使用该指令最终应该返回实际的周期值。
impact 和chipscope 通过网络访问fpga 的jtag 接口的基本原理就是基于xvc 协议发送shift指令，实现jtag-client 的功能[8]。因此只要arm微控制器根据shift 指令格式分析数据，便能成功模拟jtag 时序，实现类似于jtag-server 的功能。jtag-server 与jtag-client 的结构如图4。
图4 jtag 服务器与客户端
2.3 fpga 软件设计
在本设计中，主控fpga 负责实现8 片待更新fpga 的jtag 链路。一组i/o 口用于接收w7200的配置时序，另外8 组i/o 口分别连接8 个lvds模块的输入。一个4 位的拨码开关用来控制接入jtag 链的fpga 的个数。
2.4 arm 软件设计
本方案使用基于jtag 的配置方式，w7200 作为配置控制器，其通用i/o 引脚pb12、pb13、pb14、pb15 分别作为jtag 接口的tms、tck、tdo 和tdi。w7200 的工作流程如图5 所示。其应用程序用c 语言开发生成，keil mdk 进行编译调试。主要包括w7200 初始化和指令处理两部分。
首先，w720 初始化的内容包括：设置系统工作时钟、中断、gpio/spi、接收与发送缓存大小以及网络设置。由于impact 软件每次发送shift 指令的最大长度为2 256 byte，故设置接收缓存区rx_buf 大小为2 256，而发送缓存区tx_buf 大小为1178。网络设置包括选择打开socket0 进行网络通信，并设置其通信协议为tcp，端口号为5000，并为其分配ip 地址和mac 地址。初始化完成后，w7200 会作为tcp server 打开socket0 监听网络上的连接请求。
图5 更新流程
w7200 处理指令的过程为：从 socket0 的接收数据缓冲区接收6 个字节，若与字符串shift:对比相同，则继续读取4 字节的内容作为num_bits，通过计算将其转换为字节数nr_bytes。接着按该字节数分别读取tms vector 和 tdi vector 到接收缓存区rx_buf，然后通过for 循环分别将tms vector 和tdi vector 的每一位赋值给tms 和tdi 引脚，同时产生周期性的tck 信号。该for 循环同时将tdo引脚上检测到的输入信号写入发送缓冲区tx_buf，循环结束后以tdo vector 发送给pc。pc 验证收到的tdo 数据无误，继续通过shift 指令发送下一个数据包。由此便实现了一个完整的jtag数据链路，从而实现了通过网络将配置数据经由jtag 接口配置给fpga 的过程。
3 远程更新 利用impact 进行远程更新时的软件设置如图6 所示。首先打开impact 软件，在边界扫描模式下选择菜单栏的output、cable setup，选择打开xilinx_xvc 插件，更改连接对象的ip 地址与端口号，发送连接请求给w7200。
待成功建立socket 连接后，初始化jtag 链，选择待配置fpga 和配置文件并双击program，pc端便按照shift 指令的格式发送配置指令和数据给w7200。配置结果如图7 所示。经过验证，为一片fpga 成功配置大小为630 kb 的.bit 文件所需时间为21 s，配置1.41mb 的.bit 文件所需时间为48 s，配置速率均为240 kb·s−1。在相同环境下，配置不同大小的文件速率基本一致。该方案使电子学系统的远程更新和调试变得简单灵活。
图6 impact 下载线设置
图7 成功更新fpga
4 结语 本方案中，基于xilinx 的xvc 协议，利用pc机与arm 通过以太网通信，成功实现了基于jtag接口的fpga 的远程更新与调试。该方案实际只需要一个arm 单芯片，无需其它额外的附加电路。在其他系统中应用时，可直接将w7200 芯片固化在电路板上，方便可靠。随着互联网的发展推进，通过网络进行硬件程序的更新将变得更加普遍。
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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 (universalserial bus - joint test action group)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(complex programmable logic device)、dsp (digital signal processor)、arm (acorn risc machine)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、flash prom 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 (xilinx visual cable)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-voltage differential signaling)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 (general purpose input output)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arm cortex-m3 微处理器[5]。内有20 kb 的sram 和128 kb 的flash 以及32 kb 的以太网rx/tx 缓存，具有最高72 mhz的工作频率，有足够的能力进行数据处理。硬件tcp/ip 协议支持 tcp、udp、ipv4、icmp、arp、igmp、pppoe 和以太网，这些协议在各种应用领域已经得到多年的验证。其结构如图3 所示。
图3 w7200 结构框图
w7200 的内核采用32 位的stm32f103cb，通过spi 与w5200 连接，外部拓展40 个引脚，负责提供该系统的gpio、i2c、spi、usb 以及usart接口，集成度高却具有很低的功耗。w5200 为该公司推出的全硬件tcp/ip 芯片，负责为该系统提供各类硬件tcp/ip 协议、mac 以及phy，支持8 个独立的socket 同时工作。使用该芯片的优势是通过简单的socket 编程，用户便可以轻松实现所需的以太网通信，而不必要处理复杂tcp/ip 协议栈控制。
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jtag是符合ieee 1149.1 标准的国际标准测试协议[6]，主要用于各类芯片的内部测试和配置。现在大多数高级器件（包括fpga、mcu、dsp 以及cpu 等）都支持jtag 协议。标准的jtag 接口是4 线接口：模式选择(tms)、时钟(tck)、数据输入(tdi)以及数据输出(tdo)信号线。
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2.2 xvc 协议
xvc 协议是xilinx 公司推出的一款基于tcp/ip 的虚拟线缆协议[7]，它可发挥类似于 jtag线缆的作用，允许用户无需使用usb 线缆而是通过网络访问xilinx fpga 的jtag 接口并对其进行高效率的远程更新与调试。该协议还具有扩展性，可进行安全连接，允许用户通过编程将其实现于不同的平台。
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1) getinfo:
该指令用于获取xvc 服务的版本。当接收到“getinfo:”指令时，该服务将会返回如下的字符串：“ xvcserver_v1.0; ”， 其中，代表了该协议一次能移位发送的字节向量的最大长度。
2) shift:[num bits][tms vector][tdi vector]
该指令表示分别以字节向量tms vector 和tdi vector 的形式发送num_bits 个二进制数据。其中，num_bits 是一个小端格式的整数，tms vector和 tdi vector 代表所要发送的tms 和tdi 的二进制数据。发送过程中，0 字节的0 比特位首先被发送出去，字节向量的长度会根据num_bits 的值向上补齐成最接近的字节数。该指令最终应该返回与tms vector 向量同样长度的字节向量tdo vector，代表从jtag 接口返回的所有的tdo。同样也是0字节的0 比特位首先被接收回来。
3) settck:[period in ns]
该指令表示将该协议通信的时钟周期设置为period 纳秒。period 同样是一个小端格式的整数值。使用该指令最终应该返回实际的周期值。
impact 和chipscope 通过网络访问fpga 的jtag 接口的基本原理就是基于xvc 协议发送shift指令，实现jtag-client 的功能[8]。因此只要arm微控制器根据shift 指令格式分析数据，便能成功模拟jtag 时序，实现类似于jtag-server 的功能。jtag-server 与jtag-client 的结构如图4。
图4 jtag 服务器与客户端
2.3 fpga 软件设计
在本设计中，主控fpga 负责实现8 片待更新fpga 的jtag 链路。一组i/o 口用于接收w7200的配置时序，另外8 组i/o 口分别连接8 个lvds模块的输入。一个4 位的拨码开关用来控制接入jtag 链的fpga 的个数。
2.4 arm 软件设计
本方案使用基于jtag 的配置方式，w7200 作为配置控制器，其通用i/o 引脚pb12、pb13、pb14、pb15 分别作为jtag 接口的tms、tck、tdo 和tdi。w7200 的工作流程如图5 所示。其应用程序用c 语言开发生成，keil mdk 进行编译调试。主要包括w7200 初始化和指令处理两部分。
首先，w720 初始化的内容包括：设置系统工作时钟、中断、gpio/spi、接收与发送缓存大小以及网络设置。由于impact 软件每次发送shift 指令的最大长度为2 256 byte，故设置接收缓存区rx_buf 大小为2 256，而发送缓存区tx_buf 大小为1178。网络设置包括选择打开socket0 进行网络通信，并设置其通信协议为tcp，端口号为5000，并为其分配ip 地址和mac 地址。初始化完成后，w7200 会作为tcp server 打开socket0 监听网络上的连接请求。
图5 更新流程
w7200 处理指令的过程为：从 socket0 的接收数据缓冲区接收6 个字节，若与字符串shift:对比相同，则继续读取4 字节的内容作为num_bits，通过计算将其转换为字节数nr_bytes。接着按该字节数分别读取tms vector 和 tdi vector 到接收缓存区rx_buf，然后通过for 循环分别将tms vector 和tdi vector 的每一位赋值给tms 和tdi 引脚，同时产生周期性的tck 信号。该for 循环同时将tdo引脚上检测到的输入信号写入发送缓冲区tx_buf，循环结束后以tdo vector 发送给pc。pc 验证收到的tdo 数据无误，继续通过shift 指令发送下一个数据包。由此便实现了一个完整的jtag数据链路，从而实现了通过网络将配置数据经由jtag 接口配置给fpga 的过程。
3 远程更新 利用impact 进行远程更新时的软件设置如图6 所示。首先打开impact 软件，在边界扫描模式下选择菜单栏的output、cable setup，选择打开xilinx_xvc 插件，更改连接对象的ip 地址与端口号，发送连接请求给w7200。
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图6 impact 下载线设置
图7 成功更新fpga
4 结语 本方案中，基于xilinx 的xvc 协议，利用pc机与arm 通过以太网通信，成功实现了基于jtag接口的fpga 的远程更新与调试。该方案实际只需要一个arm 单芯片，无需其它额外的附加电路。在其他系统中应用时，可直接将w7200 芯片固化在电路板上，方便可靠。随着互联网的发展推进，通过网络进行硬件程序的更新将变得更加普遍。
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