边界扫描测试技术在远程实验系统中的应用研究

论文摘要

在这个快速变化的世界中,教育实践的根本变化是什么?是开放和革新。只要谈到教育改革,远程教育无疑是一个重要方面,它的发展势头是强劲的,已经成为备受重视的新型教育模式。在现代远程教育中,实验教学该如何创新、如何开放、如何与理论课程相配套?本文描述并实现的远程计算机硬件实验系统,是针对目前高等学校所开设的基于FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的计算机硬件实验课程的远程化而研制的,旨在构建开放式、网络化的计算机硬件实验新模式,是对远程理论教学的有力补充,解决远程教育中实验教学与理论教学不匹配的问题。基于FPGA技术的计算机硬件实验设备,因FPGA灵活的可重构特性,使得实验课程内容由验证型向综合设计型及创新型转变,设计者可以根据需要反复调整和改变电路结构,容易激发学生的自主创新型思维,这使得FPGA成为极具潜力的教学工具。目前许多高等学校的计算机硬件课程实验,或多或少都会采用FPGA方式,将硬件电路理论学习与电路设计实践相结合。“设计—配置—验证”的FPGA实验方式的远程化研究中,如何对目标FPGA实施远程“配置”和远程“验证”是非常关键的问题。本文提出将测试领域成熟的边界扫描技术应用在实验系统中,解决配置和验证两大关键问题。边界扫描技术是针对日益复杂的IC器件和电路板而提出的一种可测性设计方法,该方法通过在芯片边缘加入边界扫描寄存器,使得IC各管脚及内核逻辑的可测性和可控性达到了100%,并且还延伸出如ISP(In System Programming,在系统编程)等其它应用。目前各大芯片厂商生产的FPGA都支持这个标准。将边界扫描测试技术应用于实验系统,国内外尚无先例,对此,本文着力研究FPGA的边界扫描配置模式以及它的实现算法;研究边界扫描技术中用于功能测试的INTEST指令,研究将它们应用在远程计算机硬件实验系统中,无论是理论研究还是编程调试,都证明了边界扫描方案的可行性和优越性。从提升远程实验系统性能出发,本文进一步设计实现了一个硬件加速的边界扫描控制器,该控制器能够完成对目标FPGA的“配置”和“验证”,执行过程中不需要CPU干预,在整个远程实验系统联合调试的过程中,运行完全正常,达到了预期目标,并且通过性能分析证明,硬件加速的边界扫描控制器相比于软件实现,速度有显著提升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的由来
• 1.1.1 基于FPGA的计算机硬件实验新模式
• 1.1.2 实验设备的开放化趋势
• 1.1.3 远程实验系统的目标
• 1.1.4 计算机硬件实验设备现状
• 1.2 研究解决的主要问题
• 1.2.1 边界扫描理论研究及可行性验证
• 1.2.2 硬件加速的边界扫描控制器的设计与实现
• 1.3 论文章节的组织
• 第二章 远程实验系统总体架构
• 2.1 远程实验系统概貌
• 2.2 基于嵌入式平台的远程实验系统
• 2.2.1 带有Nios Ⅱ软核的嵌入式平台
• 2.2.2 嵌入式Web Services
• 2.2.3 服务逻辑
• 2.3 远程计算机硬件实验系统实验过程
• 2.4 远程计算机硬件实验系统特点
• 第三章 基于边界扫描技术的FPGA实验原理和方法的研究及实现
• 3.1 概述
• 3.2 边界扫描电路结构
• 3.2.1 TAP（Test Access Port，测试访问端口）
• 3.2.2 TAP控制器
• 3.2.3 边界扫描指令寄存器
• 3.2.4 边界扫描数据寄存器
• 3.3 边界扫描描述语言
• 3.3.1 目的
• 3.3.2 使用范围
• 3.3.3 目标FPGA的边界扫描电路参数
• 3.4 基于边界扫描测试技术的FPGA实验基本原理
• 3.5 基于边界扫描测试技术的FPGA配置原理和方法
• 3.6 基于边界扫描测试技术的实验验证原理和方法
• 3.7 远程实验系统目标器件的识别方法
• 3.8 边界扫描方案的可行性验证
• 3.8.1 硬件结构
• 3.8.2 调用IO函数
• 3.8.3 根据实验命令编写主程序
• 3.8.4 需要注意的TAP时序
• 3.8.5 调试的数据、结果、结论
• 第四章 硬件加速的边界扫描控制器的设计与实现
• 4.1 边界扫描控制器的总体设计方案
• 4.1.1 边界扫描控制器硬件实现方案
• 4.1.2 边界扫描控制器功能设计
• 4.1.3 硬件边界扫描控制器结构
• 4.2 硬件边界扫描控制器各模块实现
• 4.2.1 时序逻辑
• 4.2.2 命令寄存器
• 4.2.3 优化TAP接口串行位宽的设计
• 4.2.4 FIFO
• 4.2.5 TCK输出模块
• 4.2.6 控制逻辑
• 4.3 集成到SOPC Builder中的边界扫描控制器
• 4.3.1 定义Avalon总线信号
• 4.3.2 定义寄存器
• 4.3.3 主端口读操作
• 4.3.4 从端口读操作
• 4.4 边界扫描控制器的软件应用程序
• 4.5 边界扫描控制器的调试
• 4.6 测试与性能分析
• 4.6.1 远程实验系统测试
• 4.6.2 性能分析
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文研究特色
• 5.2 后继研究
• 附录A
• 附录B
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文