基于DMA的XVC協議性能優化

劉 劍，趙 赟

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

現場可編程門陣列(FPGA)遠程調試由于不受調試線纜傳輸距離的限制，大量學者近年來對其在船舶、核實驗等工況環境下的應用展開了研究[1-4]。賽靈思虛擬電纜(XVC)[5]協議是一種基于TCP/IP的網絡通信協議，適用于FPGA遠程JTAG接口加載與調試，薛等[6]基于ARM單芯片實現了XVC協議的多目標FPGA菊花鏈式遠程網絡調試，但其JTAG加載性能較差。隨著可編程SoC和AXI總線標準的快速發展和應用，李[7]和薛[8]分別采用軟核和硬核可編程片上系統(SoPC)實現了AXI轉JTAG方式的XVC遠程調試，SoPC遠程調試系統相較于ARM進一步提升了遠程調試的加載性能。但目前XVC遠程調試方案在FPGA加載速度和效率方面普遍仍低于傳統JTAG線纜，這限制了XVC協議在大容量、多目標FPGA遠程調試和加載方面的進一步推廣和應用。

本文從基于SoPC的XVC協議性能優化方面開展研究，提出一種改進型JTAG轉換器結構，引入AXI-DMA[9]和非阻塞IO傳輸機制，提高XVC協議的JTAG數據轉換速率，最終得到性能優化的FPGA遠程調試系統。

1 系統結構

基于ZYNQ硬核SoPC構建XVC遠程網絡調試系統，系統結構如圖1所示。ZYNQ SoPC用于遠端目標FPGA的JTAG接口控制，其可編程邏輯(PL)部分用于構建XVC協議專用JTAG數據轉換器，具有邏輯加速的特性，并通過處理器系統(PS)的高性能(HP)從機AXI總線接口，JTAG-DMA轉換器主動地執行高效率數據傳輸；在以ARM處理器為核心的PS部分，Linux內核模塊管理PL端JTAG轉換器的DMA讀寫驅動，XVC服務器軟件適用于操作JTAG-DMA設備進行多目標FPGA的JTAG信號同時傳輸；本地計算機與ZYNQ SoPC通過以太網-局域網互聯，XVC客戶端以點對點或交換的方式連接遠端XVC服務器下特定端口，對指定的目標FPGA進行遠程加載與調試。

圖1 XVC遠程網絡調試系統結構

XVC遠程網絡調試系統適用于多目標FPGA、多設備節點場合下的多人協同遠程調試和開發，可通過網絡長距離布線遠離調試設備環境。

2 XVC協議性能優化

2.1 JTAG-DMA轉換器

提出的改進型JTAG轉換器結構如圖2所示，典型JTAG轉換器僅由JTAG移位器和控制邏輯組成，JTAG數據均由處理器通過AXI-Lite總線進行搬運。通過引入DMA引擎，提出的改進型JTAG轉換器將JTAG數據搬運事務轉由轉換器內部DMA邏輯進行控制。在JTAG數據傳輸效率方面，AXI總線位寬和突發傳輸長度可變，相比于AXI-Lite總線傳輸帶寬和傳輸效率更高；DMA引擎可以直接通過AXI總線讀寫共享內存，降低處理器在數據總線上的占用率，提高JTAG數據的傳輸速度，進而提高JTAG轉換器的轉換效率。

圖2 JTAG-DMA轉換器結構

2.2 JTAG數據傳輸模型

改進型JTAG轉換器執行1次JTAG數據轉換，其流程為控制字傳輸，JTAG數據傳輸和JTAG移位轉換，時序如圖3所示。改進型JTAG轉換器將控制字傳輸與JTAG數據傳輸分離，由控制字指定數據階段的目標/源地址、傳輸位長等參數，并啟動JTAG轉換；在轉換過程中JTAG數據由DMA引擎進行AXI主動傳輸控制，JTAG移位器在啟動前將JTAGTMS和TDI數據由內存搬運至移位器中，完成JTAG移位后，回讀的JTAG TDO數據由DMA從移位器再搬運回指定內存地址。

圖3 JTAG轉換時序

AXI總線一次讀寫突發數不能超過256，同時其傳輸字節長度也不能超過4 kB尋址范圍，單次JTAG最大轉換比特數受限于AXI總線傳輸量。考慮到AXI總線讀寫時間會占用一部分單次轉換時間且該時間在高速JTAG下不可忽略，這影響到總JTAG轉化效率。在AXI-DMA與JTAG移位器之間加入讀寫緩沖區，可將單次JTAG數據長傳輸微分為N個多次JTAG數據短傳輸，其讀寫時序如圖4所示。Rx表示AXI-DMA從指定內存地址取JTAG TMS和TDI數據，rx表示讀緩沖區內容更新，Sx表示第x次JTAG移位器移位，Wx表示JTAG回讀數據向寫緩沖區寫入，wx表示AXI-DMA將寫緩沖區的JTAG TDO數據寫入內存。讀寫緩沖區的引入使得單次JTAG長傳輸不受到AXI總線讀寫量的影響，可提高JTAG單次傳輸長度和JTAG數據轉換效率。

圖4 JTAG轉換器長傳輸讀寫時序

在第x次的JTAG短傳輸中，短傳輸開始時更新讀緩沖區rx，同時開始上一次短傳輸的寫入wx-1和下一次短傳輸的預讀Rx+1，短傳輸過程中JTAG TDO的回讀數據直接寫入緩沖區Wx。基于AXI-DMA的改進型JTAG轉換器，單次轉換的JTAG比特轉換效率理論值為：

(1)

式中：Ns表示JTAG移位個數；fTCK表示JTAG TCK頻率；ts為JTAG短傳輸轉換時間，ts=Ns/fTCK；tc表示AXI-Lite總線控制字傳輸時間；tR表示AXI總線讀時間；tw表示AXI總線寫時間。

當JTAG總移位數足夠大時，AXI總線讀寫時間在總轉換時間中僅為一次短傳輸讀寫時間，可忽略不計，理論JTAG效率接近100%；JTAG短傳輸移位時間必需大于AXI總線讀寫所需時間之和，以保證短傳輸過程中AXI總線數據正常傳輸。

2.3 內核驅動模型

在遠程網絡調試系統下，以太網傳輸可能產生網絡阻塞、丟包、并發等情況，XVC協議在傳輸包解析過程中會產生連續的IO請求。在內核模塊中JTAG轉換器設備驅動需實現非阻塞式讀寫，以用于應用層連續讀寫請求的及時響應，消除連續IO請求引起的外設讀寫阻塞行為。

考慮到JTAG-DMA轉換器的DMA傳輸機制，采用基于DMA環形緩沖區的非阻塞IO驅動模型，IO請求處理框架如圖5所示。DMA池是為JTAG-DMA轉換器分配的固定物理內存空間，由多個DMA塊(DMA Block，DB)組成，并為每一個DMA塊指定可讀、可寫和忙屬性，對應內核中狀態機跳轉和JTAG轉換器控制字管理。產生讀寫請求時，首先檢查DMA塊是否可讀可寫，寫操作時將JTAG數據拆分并重新打包拷貝至DMA塊，讀操作時將DMA塊數據拷貝出來組包為JTAG回讀數據，并更新DMA塊屬性，立即結束讀寫流程。

圖5 JTAG-DMA驅動IO請求處理框架

JTAG-DMA轉換器內核設備驅動的非阻塞傳輸機制適用于多目標JTAG設備、連續IO的應用條件，提高XVC協議JTAG數據包轉換效率和傳輸可靠性。

3 加載試驗

根據提出的XVC協議優化方法，搭建FPGA遠程調試系統，并采用課題組研制的預處理板[10]實施FPGA位流加載實驗。測試軟件平臺為Vivado 2019.1，圖6展示了預處理板ZYNQ SoPC硬件平臺下設計的JTAG-DMA IP核；測試目標FPGA芯片為Xilinx Virtx7 690 T，并使用JTAG線纜(Xilinx Platform Cable II和Digilent HS3)加載同一位流文件進行測試，測試結果如表1所示。實際JTAG比特效率為：

表1 位流文件加載測試結果

圖6 JTAG-DMA IP核

(2)

式中：SBF表示目標FPGA比特流文件大小；tload表示實際加載時間，由Vivado控制臺日志信息得到。

4 結束語

本文提出了一種基于AXI-DMA的改進型JTAG轉換器結構，并引入基于DMA環形緩沖區的非阻塞IO驅動模型，用于優化XVC協議JTAG轉換效率。實驗結果表明，優化后XVC協議的加載性能相比于典型XVC遠程調試系統有巨大的提升，其JTAG比特效率超過或可達到JTAG線纜的性能。