利用Virtex-5系統(tǒng)監(jiān)控器加強系統(tǒng)管理和診斷

　　電信行業(yè)要求具有很高的服務可用性-正如你一拿起電話就希望聽到撥號音一樣。隨著寬帶服務提供商爭相進入音頻和視頻領域(伴隨所謂的"三重播放"的展開)，用戶期望他們可以在這些領域?qū)崿F(xiàn)同樣的高可用性。

　　高可用性只能通過為構成系統(tǒng)的硬件提供冗余性來實現(xiàn)。然而，為了有效管理這種冗余，系統(tǒng)必須能夠監(jiān)控自己的運行狀態(tài)，如果發(fā)生故障，系統(tǒng)必須在用戶覺察到任何故障停機之前切換到備用硬件。對物理環(huán)境的密切監(jiān)控，讓運營商可以在發(fā)生任何部件故障時采取積極行動。這涉及到監(jiān)控機架內(nèi)部的物理環(huán)境，利用各種傳感器來記錄相關變量，比如溫度、電源電壓、濕度和冷卻性能等。

　　FPGA是高可用性基礎設施中的重要構建模塊。因此，應該密切監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)FPGA的片上環(huán)境及其周圍環(huán)境。Xilinx Virtex-5系統(tǒng)監(jiān)控器可以更加輕松地監(jiān)控FPGA及其外部環(huán)境。

　　Virtex-5系統(tǒng)監(jiān)控器

　　Virtex-5系統(tǒng)監(jiān)控器能夠讓用戶輕松獲得FPGA片上(晶片)溫度和電源條件方面的信息。它還可以通過外部模擬輸入通道獲取外部傳感器信息(最多可以監(jiān)控17個外部傳感器)。獲取上述信息需要很少的設計努力，甚至不需要，具體取決于所需的功能。常見的功能，比如報警、自動通道定序器和數(shù)據(jù)平均，都可以從系統(tǒng)監(jiān)控器模塊中得到，這樣設計人員就能夠輕而易舉地開發(fā)出一個解決方案。

　　圖1給出了Virtex-5系統(tǒng)監(jiān)控器的結構圖。該監(jiān)控器的核心是一個10位(每秒200,000個采樣)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。ADC的模擬輸入范圍是0~1V。在10比特的分辨率下，該ADC能夠處理的輸入電壓精度大約為1mV。

　　如圖1所示，片上傳感器和外部模擬輸入通道都通過模擬多路復用器與ADC輸入端相連。因此，從不同傳感器獲得的電壓必須由ADC轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。測量結果被寫入狀態(tài)寄存器，并能夠利用FPGA架構或者通過FPGA和PCB的JTAG基礎設施從外部輕松讀取上述狀態(tài)寄存器中的數(shù)據(jù)。利用同樣的接口也可以對監(jiān)控器的控制寄存器進行讀寫操作?？刂萍拇嫫鲗ο到y(tǒng)監(jiān)控器的操作(例如，針對測試、編程報警極限和傳感器平均的要求選擇合適的傳感器通道)進行配置。加電后不久系統(tǒng)監(jiān)控器就完全進入工作狀態(tài)，而且在不配置FPGA的條件下就能夠進行正確的操作。默認情況下，加電后只會監(jiān)控片上傳感器;但也可以啟用外部模擬輸入。配置前只能通過JTAG測試訪問端口(TAP)獲取測量信息。

　　1. 用戶報警

　　系統(tǒng)監(jiān)控器的實用內(nèi)置特性之一是，它能為片上傳感器生成報警信號。設計師能夠設定上述報警信號的閾值。系統(tǒng)監(jiān)控器可以自主監(jiān)控這些傳感器，并且只有在檢測到報警狀態(tài)時才會對系統(tǒng)發(fā)出報警。

　　系統(tǒng)監(jiān)控器還含有一個工廠設置的報警狀態(tài)，被稱為過熱報警(OT)。一旦啟用該功能，如果檢測到晶片溫度高于125℃，系統(tǒng)監(jiān)控器就會請求關閉整個芯片。當晶片冷卻到設定的溫度水平時，才給晶片加電。在芯片掉電期間，系統(tǒng)監(jiān)控器會繼續(xù)操作片上傳感器，并且對其進行監(jiān)控。

　　默認情況下不會啟用OT功能，如果需要，必須明確啟用此功能方可生效。

　　2. 對“檢驗器”進行檢驗

　　為了讓Virtex-5系統(tǒng)監(jiān)控器提供精確而又可靠的環(huán)境信息，需要對測量數(shù)據(jù)和系統(tǒng)監(jiān)控器操作進行可靠性檢查。系統(tǒng)監(jiān)控器擁有大量有助于保證操作可靠性的功能。ADC的內(nèi)置自動校準功能和傳感器可以糾正模擬測量系統(tǒng)中由工作環(huán)境造成的任何漂移。自檢功能還能讓系統(tǒng)主機對系統(tǒng)監(jiān)控器的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

　　利用系統(tǒng)監(jiān)控器JTAG訪問功能

　　Virtex-5系統(tǒng)監(jiān)控器還具備一個新功能，即通過JTAG TAP訪問模塊的所有功能。通過實現(xiàn)模擬測試和訪問模擬信息，您能夠利用系統(tǒng)中現(xiàn)有的JTAG獲得更大的價值和效率。在配置FPGA(該FPGA作為實際生產(chǎn)中PCB測試方案的一部分)之前或正常操作的過程中，可以訪問這些功能，從而簡化了調(diào)試。

　　為了簡化PCB的電源電壓和電流之類的片外測量，您可以在配置FPGA之前使用特殊的JTAG命令來為外部模擬輸入創(chuàng)造條件。即使配置完FPGA，系統(tǒng)監(jiān)控器也不需要在設計中進行明確例示，因此可以通過JTAG TAP訪問那些用于實現(xiàn)調(diào)試功能的特性，即使是在設計后期。為了確保系統(tǒng)監(jiān)控器的可用性，唯一的要求在于，必須提供正確的PCB支持。這涉及與系統(tǒng)監(jiān)控器用戶指南中描述的外部2.5V參考IC進行連接的問題。

　　圖2顯示了一個典型診斷應用，在正常操作時對FPGA的物理運行環(huán)境進行監(jiān)控。在圖2的例子中，系統(tǒng)監(jiān)控器用于觀察大電流需求期間(從t0時刻開始)功率分配系統(tǒng)(PDS)中的電壓(IR)降。在上述高活動期間，我們還監(jiān)控了FPGA的溫度。能夠在開發(fā)階段迅速確定電源或PCB設計的潛在問題。JTAG訪問功能還提供了一個簡便的方法，能夠確認特定設計是否配有適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)。ChipScope Pro分析器可以輕松訪問系統(tǒng)監(jiān)控器;而且，這種訪問功能還能夠輕松地集成到其它JTAG測試和編程環(huán)境中。

　　系統(tǒng)集成

　　除了能夠利用JTAG TAP輕松訪問系統(tǒng)監(jiān)控器之外，還可以通過FPGA架構訪問系統(tǒng)監(jiān)控器的控制和狀態(tài)寄存器。利用FPGA架構可以在任何時刻對這些寄存器進行配置和讀取。允許通過JTAG TAP控制器和架構接口對系統(tǒng)監(jiān)控器的寄存器進行雙重訪問，并提供了相應的仲裁方案來管理可能出現(xiàn)的爭用現(xiàn)象。

　　在設計中例示系統(tǒng)監(jiān)控器，并在FPGA配置過程中對其初始化時，還能夠定義這些寄存器的內(nèi)容。因此，可以對系統(tǒng)監(jiān)控器進行配置使其以用戶自定義的運行(后配置)模式啟動。架構接口就是我們所熟知的動態(tài)重配置端口(DRP)。DRP是一個并行的16位同步數(shù)據(jù)端口(類似于block RAM)。

　　對于需要對系統(tǒng)監(jiān)控器進行更多控制的高級應用(此時)而言，DRP能夠讓系統(tǒng)監(jiān)控器輕松地映射到硬/軟微處理器的外設地址空間中。圖3顯示了一個典型系統(tǒng)管理應用，這里MICroBlaze處理器運行一個類似于協(xié)議的智能平臺管理接口(IPMI)，并且通過管理通道(如以太網(wǎng)，甚至是簡單的UART/調(diào)制解調(diào)器)與系統(tǒng)主機進行通信。

　　系統(tǒng)監(jiān)控器還以通用ADC的形式提供了一個重要的微處理器外設。這是業(yè)界首次將微控制器中常見的模擬外設集成到FPGA中。此外，該系統(tǒng)還可以完全控制ADC操作。ADC提供了大量采樣模式，并且支持單極、雙極和全差分模擬輸入方案。

　　本文小結

　　Virtex-5系統(tǒng)監(jiān)控器為一般的片上和外部環(huán)境監(jiān)控需求提供了一個大大簡化了的解決方案。其功能訪問需要極少的開發(fā)和設計工作。通過將系統(tǒng)監(jiān)控器和JTAG TAP控制器連接在一起，JTAG功能已經(jīng)延伸到新的應用領域，從而實現(xiàn)了新的測試能力。我們非常希望收到您對本文所提到的任何專題的意見和反饋信息，特別是我們的開發(fā)隊伍如何更好地為您的系統(tǒng)監(jiān)控和測試需求提供支持。