基于FPGA技術實現對嵌入式系統的在線監控

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。