導(dǎo)讀：本文旨在研究基于FPGA技術(shù)對(duì)嵌入式SoC系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)控的方法。設(shè)計(jì)了一個(gè)FPGA片上通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)部固化基于UART接口的Modbus通訊協(xié)議棧，可通過串口與PC上位機(jī)進(jìn)行通信；且采用雙口RAM作為與監(jiān)控對(duì)象間共享的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，通過中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步交換，既確保了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，也避免了嵌入式系統(tǒng)因處理監(jiān)控通信過程而帶來性能損失。采用VHDL語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通信系統(tǒng)的各組成部分，在Altera的cycloneII系列芯片開發(fā)板上驗(yàn)證了方案的可行性。

在SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及使用過程中，對(duì)其內(nèi)部行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控十分重要，目前普遍通過監(jiān)控端和目標(biāo)系統(tǒng)間的監(jiān)控信息通信來實(shí)現(xiàn)，UART常用作通信信道。

目標(biāo)SoC系統(tǒng)常使用中斷方式或輪詢方式獲取監(jiān)控通信數(shù)據(jù)包，對(duì)其解析并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)操作后回復(fù)應(yīng)答信息。中斷方式中SoC需完成保存中斷現(xiàn)場、調(diào)用中斷服務(wù)程序、恢復(fù)現(xiàn)場系列任務(wù)，上下文的切換占據(jù)了系統(tǒng)額外開銷；輪詢方式中，系統(tǒng)定時(shí)檢查設(shè)備請(qǐng)求，若有數(shù)據(jù)到達(dá)則調(diào)用相應(yīng)處理程序，固定的輪詢周期增加了數(shù)據(jù)等待處理時(shí)間，數(shù)據(jù)量較小時(shí)頻繁查詢?cè)斐蓪?duì)CPU資源的浪費(fèi)。

針對(duì)上述問題，提出一種的新監(jiān)控方法，設(shè)計(jì)一個(gè)FPGA通信系統(tǒng)，由其作為SoC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交互的橋梁，負(fù)責(zé)完成在線監(jiān)控的通信過程，保證被調(diào)試系統(tǒng)和調(diào)試主機(jī)之間調(diào)試信息和命令的交互可靠性，可避免目標(biāo)SoC頻繁的處理通信中斷，提高其控制性能。監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)機(jī)制與通信系統(tǒng)主要模塊的設(shè)計(jì)方法將被討論，通過對(duì)比嵌入式CPU在不同監(jiān)控方法中的通信時(shí)間消耗，說明該方法具有一定實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

基于FPGA設(shè)計(jì)片上通信系統(tǒng)如圖1所示，其主要組成部分為Modbus解析模塊和雙口RAM存儲(chǔ)模塊。上位機(jī)發(fā)出監(jiān)控命令幀數(shù)據(jù)時(shí)，由Modbus模塊完成命令幀的接收、解析過程，并將待操作地址、數(shù)據(jù)等信息存入雙口RAM中，目標(biāo)CPU據(jù)此將自身內(nèi)存映像區(qū)的相應(yīng)數(shù)據(jù)一次搬入雙口RAM，搬移完畢后，Modbus協(xié)議模塊進(jìn)行應(yīng)答數(shù)據(jù)組幀，并向監(jiān)控上位機(jī)發(fā)回應(yīng)答數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠采集。

圖 1 通信系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2 基于雙口RAM的數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)

2.1 雙口RAM定制及內(nèi)存映射設(shè)計(jì)

目標(biāo)SoC中的待監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)量在內(nèi)存中的存儲(chǔ)方式，可抽象表示為如圖2中內(nèi)存映像。

圖 2 雙口 RAM 的內(nèi)存映射機(jī)制

雙口RAM中存儲(chǔ)當(dāng)前待監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)象集合，是目標(biāo)CPU內(nèi)存映像區(qū)的一個(gè)數(shù)據(jù)子集。由于當(dāng)前監(jiān)控對(duì)象可隨機(jī)落在內(nèi)存映像區(qū)的任意存儲(chǔ)塊上，雙口RAM的內(nèi)存映射方式選取為隨機(jī)映射，如圖2所示。

分散存放于CPU內(nèi)存映像區(qū)的監(jiān)控對(duì)象，映射為雙口RAM中的連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)。上位機(jī)基于Modbus協(xié)議與FPGA片上系統(tǒng)通信時(shí)，訪問連續(xù)的地址單元，保證了數(shù)據(jù)訪問速度，提高系統(tǒng)的通信效率。

2.2 雙口RAM中的數(shù)據(jù)操作設(shè)計(jì)

2.2.1 上位機(jī)對(duì)雙口RAM的讀寫操作

PC上位機(jī)為通信發(fā)起方，通過串口與FPGA片上系統(tǒng)連接，采用Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成對(duì)運(yùn)行參數(shù)的讀取和寫入等操作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。

表 1 監(jiān)控通信過程占用 CPU 時(shí)間

用戶在人機(jī)界面輸入本次待監(jiān)控對(duì)象信息， 后臺(tái)軟件依據(jù)Modbus幀結(jié)構(gòu)及約定的雙口RAM內(nèi)存映射機(jī)制，組成監(jiān)控命令幀并通過串口發(fā)出。FPGA片上系統(tǒng)對(duì)收到的命令幀進(jìn)行解析，獲取操作功能碼、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)包大小等信息，據(jù)此向雙口RAM區(qū)寫入待操作數(shù)據(jù)地址集，寫入完畢后向目標(biāo)CPU申請(qǐng)通信中斷。根據(jù)Modbus命令幀中給出的數(shù)據(jù)操作長度，一次可對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)單元進(jìn)行讀/寫操作。

2.2.2 目標(biāo)CPU對(duì)雙口RAM的讀寫操作

目標(biāo)CPU收到通信中斷請(qǐng)求后，讀雙口RAM區(qū)的中斷郵箱，郵箱信息包含本次申請(qǐng)功能(讀或?qū)?及申請(qǐng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)個(gè)數(shù)等。根據(jù)申請(qǐng)地址集，將自身內(nèi)存映像區(qū)相應(yīng)數(shù)據(jù)集一次搬入雙口RAM，或?qū)㈦p口RAM中數(shù)據(jù)集一次搬入內(nèi)存映像區(qū)相應(yīng)地址處，搬移完畢后，清空中斷郵箱，向監(jiān)控模塊發(fā)出中斷應(yīng)答。

3 Modbus協(xié)議棧模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)Modbus協(xié)議棧頂層原理框圖如圖3。使用VHDL硬件描述語言編程實(shí)現(xiàn)各組成子模塊，功能如下述。

圖 3 Modbus 協(xié)議棧頂層框圖

(1)時(shí)鐘生成模塊：通過分頻和相移產(chǎn)生位時(shí)鐘clk和1/16位時(shí)鐘bclk，作為控制其他模塊的運(yùn)行節(jié)拍，保證系統(tǒng)運(yùn)行同步。

(2)串口接收模塊：以bclk作為控制時(shí)鐘，對(duì)接收的位數(shù)據(jù)作中點(diǎn)采樣，進(jìn)行串并裝換得到字節(jié)數(shù)據(jù)。

(3)串口發(fā)送模塊：以bclk作為控制時(shí)鐘，發(fā)送使能信號(hào)有效時(shí)，輸入端的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行并串裝換，通過串口發(fā)出。

(4)接收控制模塊：判斷幀的起始、結(jié)束、是否接收錯(cuò)誤；提供地址數(shù)據(jù)，接收的字節(jié)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)至RAM1中相應(yīng)存儲(chǔ)單元。

(5)CRC校驗(yàn)/生成模塊：使用基于字節(jié)的CRC_16校驗(yàn)碼運(yùn)算方法。接收端的校驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)接收同步進(jìn)行，接收控制模塊每收到一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)?zāi)K對(duì)其作一次CRC碼計(jì)算；CRC生成模塊運(yùn)行機(jī)制類同。同步運(yùn)算可有效減少一次對(duì)幀數(shù)據(jù)的遍歷。

(6)解析主控模塊：作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)解析收到的命令幀，根據(jù)解析信息進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，組成應(yīng)答幀，控制串口發(fā)送模塊發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)等多項(xiàng)任務(wù)。收到一個(gè)校驗(yàn)無誤的命令幀后，控制讀取接收緩存區(qū)RAM1中數(shù)據(jù)，比照Modbus幀格式解析命令幀含義，通過對(duì)外數(shù)據(jù)、地址等接口完成對(duì)雙口RAM的讀寫操作；解析及操作完畢后，控制應(yīng)答幀組幀過程，將應(yīng)答數(shù)據(jù)依次寫入RAM2發(fā)送緩存區(qū)，全部寫入后，將CRC生成模塊中CRC_16校驗(yàn)值按低位在前高位在后順序，依次存放到發(fā)送緩存的下兩個(gè)地址位置處，此時(shí)應(yīng)答幀準(zhǔn)備完畢；控制發(fā)出應(yīng)答幀，依次讀取出發(fā)送緩存區(qū)數(shù)據(jù)(讀脈沖間的時(shí)間間隔至少大于串口發(fā)送單個(gè)字節(jié)所需時(shí)間)，每取出一個(gè)數(shù)據(jù)，提供發(fā)送使能脈沖供串口發(fā)送模塊工作，脈寬等于串口發(fā)送單個(gè)字節(jié)所需時(shí)間，直至應(yīng)答幀全部發(fā)送完畢。

(7)接收緩存RAM1/發(fā)送緩存RAM2：存儲(chǔ)串口接收模塊收到的字節(jié)數(shù)據(jù)/存儲(chǔ)待發(fā)送的應(yīng)答幀。

4 性能分析

分析監(jiān)控通信對(duì)Soc系統(tǒng)性能的影響，設(shè)定一系列參數(shù)如下：時(shí)間基數(shù)T(min)、監(jiān)控頻率m(幀/min)、監(jiān)控命令幀平均長度n(byte/幀)、Soc主循環(huán)平均周期k(ms)、通信波特率B(bit/s)、中斷處理指令數(shù)r(條)、查詢語句指令數(shù)s(條)、處理器主頻f(HZ)。針對(duì)常用的輪詢監(jiān)控、中斷監(jiān)控，及該文所提出的基于FPGA的DRAM監(jiān)控方法，可按照表1公式計(jì)算其監(jiān)控通信過程占用的CPU時(shí)間。

對(duì)于常用ARM處理器，可例舉部分參數(shù)值f=72M，r=15，s=5。設(shè)定其余參數(shù)值T=1，m=100，n=30，k=0.05，B=115200。在當(dāng)前設(shè)定下，計(jì)算得出三種監(jiān)控方法對(duì)CPU的時(shí)間占用百分比，如表1所示。對(duì)比應(yīng)用單一的中斷或輪詢方式，使用該文提出的監(jiān)控方法時(shí)，嵌入式系統(tǒng)CPU的利用率得到了明顯的提高。

5 結(jié)語

該文提出一種針對(duì)嵌入式片上系統(tǒng)的在線監(jiān)控方法。利用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)了輔助監(jiān)控系統(tǒng)，由該系統(tǒng)完成監(jiān)控通信過程中的接收通信命令幀、解析命令幀及組成應(yīng)答數(shù)據(jù)幀等任務(wù)，加快了對(duì)通信數(shù)據(jù)的處理速度。SoC有效減少了處理監(jiān)控所需時(shí)間，更集中于其控制功能的執(zhí)行，從而獲得更高的實(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)工作在Altera公司的QuartusII開發(fā)平臺(tái)上采用VHDL語言完成，使用CycoloneII系列芯片作功能驗(yàn)證，通信系統(tǒng)的Modbus接口與上位機(jī)在115200的波特率下收發(fā)正確，雙口RAM內(nèi)數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)計(jì)效果。