基于FPGA技术实现对嵌入式系统的在线监控

论文旨在研究基于FPGA技术对嵌入式SoC系统进行在线监控的方法。设计了一个FPGA片上通信系统，该系统内部固化基于UART接口的Modbus通讯协议栈，可通过串口与PC上位机进行通信；且采用双口RAM作为与监控对象间共享的数据缓存区，通过中断机制实现数据的同步交换，既确保了监控数据的实时性，也避免了嵌入式系统因处理监控通信过程而带来性能损失。采用VHDL语言设计实现了通信系统的各组成部分，在Altera的cycloneII系列芯片开发板上验证了方案的可行性。

在SoC系统的设计及使用过程中，对其内部行为的实时监控十分重要，目前普遍通过监控端和目标系统间的监控信息通信来实现，UART常用作通信信道。

目标SoC系统常使用中断方式或轮询方式获取监控通信数据包，对其解析并进行相应数据操作后回复应答信息。中断方式中SoC需完成保存中断现场、调用中断服务程序、恢复现场系列任务，上下文的切换占据了系统额外开销；轮询方式中，系统定时检查设备请求，若有数据到达则调用相应处理程序，固定的轮询周期增加了数据等待处理时间，数据量较小时频繁查询造成对CPU资源的浪费。

针对上述问题，提出一种的新监控方法，设计一个FPGA通信系统，由其作为SoC与监控计算机数据交互的桥梁，负责完成在线监控的通信过程，保证被调试系统和调试主机之间调试信息和命令的交互可靠性，可避免目标SoC频繁的处理通信中断，提高其控制性能。监控功能实现机制与通信系统主要模块的设计方法将被讨论，通过对比嵌入式CPU在不同监控方法中的通信时间消耗，说明该方法具有一定实用价值。

1 系统组成结构

基于FPGA设计片上通信系统如图1所示，其主要组成部分为Modbus解析模块和双口RAM存储模块。上位机发出监控命令帧数据时，由Modbus模块完成命令帧的接收、解析过程，并将待操作地址、数据等信息存入双口RAM中，目标CPU据此将自身内存映像区的相应数据一次搬入双口RAM，搬移完毕后，Modbus协议模块进行应答数据组帧，并向监控上位机发回应答数据，实现对监控数据的实时可靠采集。

图 1 通信系统组成结构
图 1 通信系统组成结构

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基于FPGA技术实现对嵌入式系统的在线监控

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