摘要：針對Altera公司現(xiàn)有FPGA在線測試方法無法適應(yīng)大批量測試／激勵(lì)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)那闆r,，論文提出了一種基于SoPC的FPGA在線測試方法,，該方法采用Nios II控制數(shù)據(jù)傳輸過程,、DMA協(xié)助數(shù)據(jù)傳輸、FIFO作為數(shù)據(jù)暫存,，采用自定義外設(shè)完成了DMA模塊與FIFO的接口設(shè)計(jì),，從而DMA可以直接操作FIFO，測試結(jié)果表明該方法是一種可行且高效的FPGA在線測試方法,。創(chuàng)新性在于充分利用JTAG接口完成FPGA的在線測試,，同時(shí)測試數(shù)據(jù)能夠?qū)懭隤C中的文件／激勵(lì)數(shù)據(jù)從文件讀出。
關(guān)鍵詞：在線測試：SoPC,；DMA,；Host-Base File System

    可編程邏輯器件供應(yīng)商Altera公司針對FPGA的開發(fā)推出了6種系統(tǒng)在線測試方法：SignalTapⅡ、SignalProbe,、Logic Analyzer Inter-face,、In-System Sources and Probes、In-System Memory Content Editor以及Virtual JTAG,。上述各種在線測試方法中,，只有最后兩種方法允許PC和FPGA進(jìn)行基于文件的數(shù)據(jù)交互。而In-System Memory Content Editor只允許用戶手動(dòng)更新FPGA片上RAM的內(nèi)容,，不利于測試數(shù)據(jù)的大規(guī)模自動(dòng)采集和傳輸,。Virtual JTAG雖然可以實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)淖詣?dòng)控制，但是需要利用TCL接口函數(shù)編寫代碼,，而且要求用戶對JTAG有深入的了解,，增大了開發(fā)難度,。本文提出了一種基于SoPC的FPGA在線測試方法，是對現(xiàn)有FPGA在線測試方法的一種有效的補(bǔ)充,。

1 在線測試數(shù)據(jù)操作流程
    基于SoPC的FPGA在線測試方法的數(shù)據(jù)操作流程如圖1所示,。如果用戶需要采集FPGA的測試數(shù)據(jù)并且上傳至PC機(jī)，則用戶首先要將被測試數(shù)據(jù)寫入DMA讀從外設(shè),，然后系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)DMA控制器,，將數(shù)據(jù)送入Nios II的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。再由JTAG UART控制器經(jīng)JTAG接口上傳至Nios II IDE(NiosⅡIntegrated Development Environment,，Nios II開發(fā)環(huán)境),，Nios II IDE將接收到的數(shù)據(jù)寫入測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件，從而完成了FPGA測試數(shù)據(jù)的上傳,。如果用戶需要將PC機(jī)中的激勵(lì)數(shù)據(jù)文件下載至FPGA,，則系統(tǒng)首先在Nios II IDE中通過Host-Based File System讀出激勵(lì)文件數(shù)據(jù)，然后由JTAG接口經(jīng)JTAG UART控制器下載至Nios II處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，Nios II發(fā)起DMA寫傳輸把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器搬運(yùn)至DMA寫從外設(shè)并寫入FPGA片上FIFO,，從而完成了激勵(lì)數(shù)據(jù)的下載。

2 SoPC平臺(tái)架構(gòu)
    SoPC系統(tǒng)部件組成見圖2,，系統(tǒng)包括Nios II處理器,、On-Chip RAM、JTAG UART,、EPCS控制器,，SYSID、定時(shí)器,、DMA讀控制器dma_0,、DMA寫控制器dam_1，以及自定義DMA讀從外設(shè)fifo_control與自定義DMA寫從外設(shè)ext_rdfifo_controller,。NiosⅡ的復(fù)位地址為EPCS控制器,，異常地址為On_ChipRAM。DMA讀控制器的讀主端口連接至自定義DMA讀從外設(shè),，寫主端口連接至On-Chip RAM,，DMA寫控制器的讀主端口連接至On-Chip RAM，寫主端口連接至自定義DMA寫從外設(shè),。系統(tǒng)的JTAG UART主要實(shí)現(xiàn)JTAG接口的控制,，使FPGA能夠通過JTAG接口與PC機(jī)進(jìn)行通信。

3 DMA讀,、寫從外設(shè)的設(shè)計(jì)
    測試數(shù)據(jù)在DMA控制器讀數(shù)據(jù)之前是存儲(chǔ)在片上FIFO的,，而激勵(lì)數(shù)據(jù)是通過DMA控制器寫入片上FIFO的。然而DMA控制器數(shù)據(jù)讀、寫主端口采用的是Avalon存儲(chǔ)器映射接口(Avalon Memory Mapped Interface,，Avalon-MM接口),，不能直接對FIFO進(jìn)行操作，Altera公司也沒有提供相應(yīng)的控制器核,，需要用戶自己開發(fā)DMA讀從外設(shè)用于控制FIFO把測試數(shù)據(jù)傳送給DMA控制器,，以及DMA寫從外設(shè)用于控制FIFO接收DMA控制器的激勵(lì)數(shù)據(jù)。本文開發(fā)的DMA讀從外設(shè)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,。

    DMA讀從外設(shè)包括了3個(gè)端口,，即控制從端口、DMA從端口以及FIFO寫端口,。DMA讀從外設(shè)的控制從端口包括3個(gè)寄存器,，分別是狀態(tài)寄存器status、控制寄存器control,、FIFO已使用字?jǐn)?shù)寄存器usedw,。NiosⅡ通過讀／寫這些寄存器獲取此外設(shè)的狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)對此外設(shè)的控制。另外,，控制端口還包含了中斷接口用于此外設(shè)向NiosⅡ發(fā)起中斷請求。DMA讀從外設(shè)產(chǎn)生中斷請求有2種情況：一是內(nèi)部FIFO寫滿,；二是收到外部測試數(shù)據(jù)的包結(jié)束信號(hào),。此時(shí)，即使FIFO未寫滿,，DMA讀從外設(shè)也會(huì)發(fā)起中斷請求,，從而實(shí)現(xiàn)采集的測試數(shù)據(jù)的立即傳輸。DMA從端口采用帶流控制信號(hào)的AvalonMM總線,，用于實(shí)現(xiàn)DMA控制器的測試數(shù)據(jù)讀操作,；管道接口是測試數(shù)據(jù)寫入此外設(shè)的FIFO接口，包括數(shù)據(jù)總線,、寫有效信號(hào)和一些狀態(tài)信號(hào)(如FIFO寫滿信號(hào)等),。DMA寫從外設(shè)的結(jié)構(gòu)與DMA讀從外設(shè)類似，只是沒有中斷請求信號(hào),，這里不再詳述,。

4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)腘iosⅡ控制
4．1 DMA控制器的操作
    Altera公司為DMA控制器提供了硬件抽象層(HAL)接口函數(shù)，使用這些函數(shù)編程需要注意的地方主要有2點(diǎn)：一是要考慮到Cache數(shù)據(jù)的一致性問題,，在調(diào)用發(fā)送／接收函數(shù)之前需要調(diào)用相關(guān)函數(shù)清除數(shù)據(jù)Cache中的內(nèi)容,；另外一個(gè)需要注意的地方是DMA控制器的alt_dma_txchan _send()函數(shù)以及alt_dma_rxchan_prepare()函數(shù)的第3個(gè)參數(shù)表示的是請求DMA控制器發(fā)送／接收的字節(jié)數(shù)，而不是字或者雙字,、四字?jǐn)?shù),。
4．2 Host-Base File System
    Altera公司提供的Host-Base File System組件可以使正在目標(biāo)板上執(zhí)行的程序讀／寫存儲(chǔ)在主機(jī)上的文件，文件的數(shù)據(jù)是NiosⅡIDE通過Altera下載線纜與目標(biāo)板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的。目標(biāo)板上的程序可以使用ANSIC標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)如fopen,、fread等函數(shù)來進(jìn)行文件的操作,，用戶使用Host-Base File System前必須先在NtosII IDE工程中添加這個(gè)軟件組件，而且只能運(yùn)行在Debug模式下,。另外,，對于上傳至PC的測試數(shù)據(jù)，也可以使用設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)輸入／輸出信息存放于主機(jī)上的某個(gè)文件(在NiosⅡIDE／Run／Run…／Common下指定)而繞開Host-BaseFile System,，但是對于主機(jī)文件數(shù)據(jù)下載給目標(biāo)板的情況,，對文件的操作必須添加這個(gè)組件。
4．3 測試數(shù)據(jù)讀,、寫控制
    當(dāng)需要采集測試數(shù)據(jù)時(shí),，首先在FPGA內(nèi)部用硬件語言編寫模塊把測試數(shù)據(jù)存入DMA讀從外設(shè)的FIFO，然后DMA讀從外設(shè)產(chǎn)生中斷請求,，NiosⅡ接到中斷請求后,，首先查看中斷產(chǎn)生的原因是FIFO寫滿還是數(shù)據(jù)包結(jié)束。若中斷原因是數(shù)據(jù)包結(jié)束,，則NiosⅡ讀DMA讀從外設(shè)的usedw寄存器獲取FIFO已使用字?jǐn)?shù),，并把這個(gè)值作為DMA控制器的傳輸長度發(fā)起DMA傳輸；若是FIFO寫滿,，則發(fā)起固定長度(如FIFO深度)的DMA讀傳輸,，DMA傳輸完畢后用ANSIC標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)fwrite()把數(shù)據(jù)寫入PC機(jī)的數(shù)據(jù)文件。
    對于存儲(chǔ)在PC機(jī)上的數(shù)據(jù)激勵(lì)文件,，NiosⅡIDE首先通過ANSIC標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)fread()讀入NiosⅡ的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，在查詢DMA寫從外設(shè)中FIFO未滿時(shí)，把數(shù)據(jù)寫入外部的FIFO,，完成數(shù)據(jù)激勵(lì)文件的傳輸,。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證
5．1 系統(tǒng)測試條件
    本次測試中FPGA芯片為Altera公司的CycloneIII EP3C120F484C8，系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz,，使用的JTAG傳輸線纜為USB Blaster,，NiosⅡ?yàn)榻?jīng)濟(jì)模式，自定義DMA讀,、寫外設(shè)內(nèi)部FIFO均為2 K×16 b,，NiosⅡ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器On-Chip RAM大小為60 KB，使用Host-Base File System組件,，在NiosⅡ工程屬性中選中“Reduced device drivers”,，經(jīng)過NiosⅡIDE編譯后代碼占用程序存儲(chǔ)空間為50 KB。
5．2 測試數(shù)據(jù)傳輸測試
    在FPGlA目標(biāo)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)上傳至PC的測試中,，在FPGA內(nèi)部用verilog語言編寫了一個(gè)數(shù)據(jù)源模塊,，數(shù)據(jù)源輸出為2～8 000的計(jì)數(shù)值,，數(shù)據(jù)寬度為16位，在數(shù)據(jù)8 000輸出時(shí),，數(shù)據(jù)包結(jié)束信號(hào)有效,，這樣既可以驗(yàn)證FIFO滿中斷的情況又可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)包結(jié)束中斷的情況。測試數(shù)據(jù)源首,、尾部的SignalTapⅡ測試波形如圖4所示,。在NiosⅡIDE，通過把pritnf()函數(shù)輸出的調(diào)試信息自動(dòng)存放到一個(gè)文本文件中,，刪去首,、尾的調(diào)試信息即得到有效數(shù)據(jù)文件。文本文件數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示,，其中數(shù)字后面的小黑塊代表換行符,，從結(jié)果看，此方法實(shí)現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的正確上傳(注：由于測試數(shù)據(jù)太長,，文中只給出數(shù)據(jù)的首部和尾部的截圖),。

5．3 激勵(lì)數(shù)據(jù)傳輸測試
    在激勵(lì)數(shù)據(jù)傳輸測試時(shí)激勵(lì)數(shù)據(jù)為存儲(chǔ)于PC機(jī)上的計(jì)數(shù)值為1～2048二進(jìn)制流文件，數(shù)據(jù)寬度為16位,，通過加入Host-Base File System組件調(diào)用fopen()與fread()函數(shù)完成數(shù)據(jù)的讀出,，當(dāng)查詢DMA寫從設(shè)備未滿時(shí)發(fā)起DMA傳輸，圖6是外部邏輯讀DMA寫從設(shè)備中FIFO的Signal Tap II測試波形圖,。從圖中的結(jié)果看,，數(shù)據(jù)讀出為1～2 048，實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)數(shù)據(jù)的正確下載,。

6 結(jié)語
    本文提出了一種基于SoPC的FPGA在線測試方法,，這種在線測試方法可以把存儲(chǔ)在FPGA片上FIFO的測試數(shù)據(jù)通過JTAG接口上傳至PC機(jī)并寫入文件,，也可以把存儲(chǔ)在PC機(jī)上的激勵(lì)文件通過JTAG接口下載到FPGA的片上FIFO,。相比Altera已有的在線測試方法，此方法采用DMA操作,，具有較高的數(shù)據(jù)吞吐量,；采用NiosⅡ控制測試／激勵(lì)數(shù)據(jù)的傳輸，無需手動(dòng)操作,；采集過程的控制由C語言編寫,，簡單易用；使用PC機(jī)上的激勵(lì)文件或者把測試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為PC機(jī)上的文件,，可以使用其它分析工具(如Matlab)產(chǎn)生激勵(lì)文件或者對測試數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析,；另外，此方法對測試數(shù)據(jù)的采樣深度沒有限制,。因此,，這種在線測試方法具有廣泛的應(yīng)用前景,。