Xilinx高级调试方法--远程调试

1 虚拟电缆调试

在传统的调试方法中，调试是通过JTAG接口进行监测信号的传输。赛灵思虚拟电缆 (Xilinx Virtual Cable, XVC) 允许 Vivado通过非JTAG接口连接到FPGA调试核。XVC通过PCIe链路而不是标准JTAG调试接口来执行调试。此过程称为XVC-over-PCIe，支持Vivado ILA波形捕获、VIO调试控制以及使用 PCIe 链路作为信道与其它赛灵思调试核进行交互。

使用XVC进行调试的系统架构如下图所示，主要包括几个部分：

• XVC-over-PCIe FPGA设计
  传统上，Vivado调试是通过JTAG来执行的。默认情况下，Vivado工具可将赛灵思调试核连接到FPGA中的JTAG BSCAN资源以执行调试。为执行XVC-over-PCIe调试，此信息必须通过PCIe链路而不是JTAG电缆接口来传输。赛灵思Debug Bridge IP支持将调试网络通过PCIe扩展配置接口(PCIe-XVC-VSEC)或通过 PCIe BAR 的AXI4-Lite内存映射接口(AXI-XVC)连接到 PCIe。
  Debug Bridge IP 配置为“From PCIe to BSCAN”或“From AXI to BSCAN”之后即可为分别源于PCIe扩展功能或AXI4-Lite 接口的赛灵思调试网络提供连接点。Vivado工具自动化可将此Debug Bridge实例连接到设计中找到的赛灵思调试核，而不是将其连接到JTAG BSCAN接口。在判定将Debug Bridge连接到PCIe扩展配置空间还是AXI4-Lite之间，设计需权衡利弊。
• PCIe-XVC驱动
  XVC-over-PCIe驱动可提供与连接到主机PC并启用PCIe的FPGA硬件资源的连接。因此，此驱动作为Linux内核模式驱动提供，用于访问位于以下位置的PCIe硬件器件。该驱动位于<Vivado_Installation_Path>/data/xicom/driver/pcie/xvc_pcie.zip。此驱动的必要组件必须添加到为特定FPGA平台创建的驱动中。此驱动用于实现 XVC-Server应用通过PCIe与FPGA进行通信所需的基本功能。
• XVC-Server
  使用调试功能时，hw_server应用由Vivado Design Suite启动。您可通过Vivado IDE将hw_server连接到本地或远程FPGA目标。此接口同样可用于连接到本地或远程PCIe-XVC目标。主机PCIe XVC-Server应用使用TCP/IP套接字连接到赛灵思hw_server。这样即可允许Vivado(使用hw_server)和 XVC-Server 应用在同一台PC上运行或者在通过以太网连接的不同PC上运行。XVC-Server应用需在直接连接到FPGA硬件资源的PC上运行。在此情况下，FPGA硬件通过PCIe连接到主机PC。XVC-Server应用通过同样在主机PC上运行的PCIe-XVC驱动来连接到 FPGA硬件器件。
• Vivado Design Suite
  Vivado软件启动Hardware Manager监测调试信号。

2 FPGA设计

在PCIe扩展配置接口(PCIe-XVC-VSEC)的模式下，FPGA设计中与XVC相关的设计连接如下图所示。各IP设置如下：

• XDMA
  • PCIe ID
    • Vendor ID：1BD4
    • Device ID：903F
  • PCIe : MSIC
    • 勾选Configuration Extended Interface，使能pcie_cfg_ext
    • 勾选Add the PCIe XVC-VSEC to the Example Design，这样Open IP Example Design时在示例工程中便会有XVC-VSEC的相关逻辑。本设计也是参考示例工程的设计，其中xdma_v4_1_10_vsec_null_v1_0便是实例工程中的文件。
• Debug Bridge
  • Debug Modes
    • Bridge Type：From PCIE to BSCAN
  • BSCAN Options
    • JTAG Fallback Mode：Internal BSCAN Primitive，JTAG通过Debug Bridge连接到调试核，如果DISABLE这一项，在JTAG无法连接调试核，下载Bit文件后，会提示”The Debug hub core was not detected“，无法通过JTAG进行调试。但是不影响通过XVC的方式进行调试。
    • User Scan Chain：1
    • BSCAN Master Count：1
  • PCIe Options
    • PCIe XVC VSEC Base Address：0xEA0
    • PCIe XVC VSEC Length：0x020
    • PCIe XVC VSEC Next Pointer：0x000
    • PCIe XVC VSEC ID：0x0008
    • PCIe XVC VSEC Rev ID：0x0
• judge：三目运算符：data = valid ? data1 : data2
  

2.1 扩展配置接口

在实现外部实现的配置寄存器时，“配置扩展 (Configuration Extend)”接口允许核随用户应用一起传输配置信息。下表定义了核的配置扩展接口中的端口。

如果扩展配置的不对，在对驱动进行测试时，会出现下图错误。

3 PCIe-XVC驱动

解压驱动压缩包，解压出文件夹driver_v0.4和xvcserver文件夹，driver_v0.4是生成驱动的文件夹，xvcserver是生成server应用的文件夹。

3.1 PCIe-XVC驱动

• 修改xvc_pcie_user_config.h文件
  • 64行PCIE_VENDOR_ID：设置为XDMA IP中设置的Vendor ID 0x1BD4
  • 65行PCIE_DEVICE_ID：设置为XDMA IP中设置的Device ID
  • 77行Config_space：允许选择使用 PCIe-XVC-VSEC 或 AXI-XVC 外设。默认值AUTO会首先尝试发现PCIe-XVCVSEC，如果未找到 PCIe-XVC-VSEC，则会尝试连接至 AXI-XVC外设。
  • 79行config_vsec_id： 当“桥接类型 (Bridge Type)”配置为“从PCIE 到 BSCAN (From PCIE to BSCAN)”时，该值为在“Debug Bridge IP”中定义的 PCIe XVC VSEC ID (默认值 0x0008) 。该值仅用于检测PCIe-XVCVSEC。
  • 80行config_vsec_rev： 当“桥接类型 (Bridge Type)”配置为“从PCIe 到 BSCAN (From PCIe to BSCAN)”时，该值为在“Debug Bridge IP”中定义的 PCIe XVC VSEC Rev ID (默认值 0x0)。该值仅用于检测PCIe-XVCVSEC。
  • 83行bar_index：PCIe BAR索引，当“桥接类型”配置为“从AXI到BSCAN (From AXI to BSCAN)”时，应使用此索引值来访问“Debug Bridge IP”。此BAR索引指定为PCIe IP自定义与系统设计中可寻址的AXI外设的组合。该值仅用于检测AXI-XVC外设。
  • 84行bar_offset：PCIe BAR偏移，当“桥接类型”配置为“从AXI到BSCAN (From AXI to BSCAN)”时，应使用此偏移值来访问“Debug Bridge IP”。此BAR偏移指定为PCIe IP自定义与系统设计中可寻址的AXI外设的组合。该值仅用于检测AXI-XVC外设。
• 编译驱动(root用户)
  • cd /driver_0.4
  • make install，驱动安装在/lib/modules/<kernel_version>/kernel/drivers/pci/pcie/xilinx/xilinx_xvc_pcie_driver.ko目录下
• 加载驱动(root用户)
  • depmod -a，运行 depmod 命令以选择新安装的内核模块，不然后面执行modprobe命令找不到驱动
  • modprobe -r xilinx_xvc_pcie_driver，确保未加载任何旧版本的驱动
  • rmmod xdma，卸载系统中的xdma驱动，如果存在xdma驱动，加载xvc的驱动后，字符文件/dev/xil_xvc/cfg_ioc0不会出现
  • modprobe xilinx_xvc_pcie_driver，加载驱动
  • ls /dev/xil_xvc，字符文件/dev/xil_xvc/cfg_ioc0
• 测试驱动(root用户)
  • make test，为驱动构建简单的测试程序
  • ./driver_test/verify_xil_xvc_driver，运行测试程序
    
    

3.2 XVC-Server

• 编译应用(root用户)
  • cd ./xvcserver
  • make，编译应用
• 启动应用(root用户)
  • ./bin/xvc_pcie -s TCP::10200，启动 XVC-Server 应用，必须在root用户下执行，不然会出现”ERROR: Failed to Open Device“的错误
    

4 Vivado Design Suite

Vivado Design Suite可在运行XVC-Server应用的计算机上运行，或者也可以在通过以太网网络连接的另一台计算机上远程运行。但端口必须可供运行Vivado的机器访问。

4.1 同一台主机

• 启动Vivado Design Suite
• 选择Open HW Manager
• 在硬件管理器(Hardware Manager)中，依次单击“Open target” → “Open New Target” → ”Next
• 选择“Local server”，然后单击“Next”，这样即可在本地机器上启动hw_server， 随后它会连接到xvcserver应用。
• 选择“Add Xilinx Virtual Cable (XVC)”，在“添加虚拟电缆 (Add Virtual Cable)”对话框中，输入相应的主机名(Host name)和端口 (Port)以连接到xvcserver应用，单击“OK”。
  
• 从“硬件目标 (Hardware Targets)”表中选择新添加的 XVC 目标，然后单击“Next”，然后单击“Finish”
  
• 在“硬件器件属性 (Hardware Device Properties)”面板中， 选择Debug Bridge目标， 并指定相应的探测.ltx文件。
  
  

4.2 不同主机

• 在添加XVC的时候，输入的主机名(Host name)设置为XVC-Server所在主机的IP地址
  
• 在“硬件器件属性 (Hardware Device Properties)”面板中， 选择Debug Bridge目标， 并指定相应的探测.ltx文件。