一种面向AMD/Xilinx FPGA系列的低成本无线远程调试架构

《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》：A Low-Cost Wireless Remote Debugging Architecture for AMD/Xilinx FPGA Families

　　摘要：AMD/Xilinx 的现场可编程逻辑门阵列（FPGAs）正越来越多地被部署在地理分布广泛且资源受限的环境中，在这些环境中物理访问目标硬件是不切实际的，因此远程调试能力成为了一项重要的工程需求。Xilinx 虚拟电缆（XVC）协议提供了一种成熟的机制，用于通过 TCP/IP 隧道传输 JTAG 信号。然而，现有方法存在一个关键的局限性。它们要么需要目标设备上的嵌入式处理器运行 Linux，要么依赖于专用物理互连（PCIe 和 PGP）。本文提出了一种适用于 AMD/Xilinx FPGA 系列的集成通用架构，通过标准 Wi-Fi TCP/IP 网络隧道传输 JTAG 信号，使 Vivado Hardware Manager 能够远程编程、调试和监控远程 FPGA。我们通过三项核心贡献实现了这一点：1）一种定制的 JTAG 引出印刷电路板（PCB），通过内存映射 GPIO 将树莓派 4B 连接到目标 FPGA 的 JTAG 端口，支持 1.8–3.3 V JTAG 电平，并实现最高 3.5 MHz 的稳定 TCK 频率；2）一个 C 语言 XVC 服务器，具有单连接互斥锁和优化的 GPIO 切换功能，相对于 USB 电缆基线减少了往返 JTAG 延迟；以及 3）一种基于定制触发器（FF）的集成逻辑分析仪（ILA），用分布式 FF 替代了块 RAM (BRAM) 捕获存储，通过单次 JTAG SHIFT-DR 序列实现单周期波形回读。该架构在四个 AMD/Xilinx 平台上进行了验证，分别是 Nexys4 (Artix-7)、Genesys2 (Kintex-7)、ZCU106 和 ZCU102 (Zynq UltraScale+)，位流调试时间分别为 3.50 ± 0.18 秒，12.42 ± 0.31 秒，27.50 ± 0.52 秒，以及 40.10 ± 0.71 秒，分别代表相对于有线 USB-JTAG 基线的无线开销低于 13%。