電信行業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實現同樣的高可用性。

高可用性只能通過為構成系統的硬件提供冗余性來實現。然而，為了有效管理這種冗余，系統必須能夠監控自己的運行狀態，如果發生故障，系統必須在用戶覺察到任何故障停機之前切換到備用硬件。對物理環境的密切監控，讓運營商可以在發生任何部件故障時采取積極行動。這涉及到監控機架內部的物理環境，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，應該密切監控系統內FPGA的片上環境及其周圍環境。Xilinx Virtex-5系統監控器可以更加輕松地監控FPGA及其外部環境。

Virtex-5系統監控器

Virtex-5系統監控器能夠讓用戶輕松獲得FPGA片上（芯片）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據平均，都可以從系統監控器模塊中得到，這樣設計人員就能夠輕而易舉地開發出一個解決方案。

圖1給出了Virtex-5系統監控器的結構圖。該監控器的核心是一個10位（每秒200，000個采樣）模數轉換器（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轉化成數字量。測量結果被寫入狀態寄存器，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寄存器中的數據。利用同樣的接口也可以對監控器的控制寄存器進行讀寫操作。控制寄存器對系統監控器的操作（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。加電后不久系統監控器就完全進入工作狀態，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

系統監控器的實用內置特性之一是，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。系統監控器可以自主監控這些傳感器，并且只有在檢測到報警狀態時才會對系統發出報警。

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

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系統監控器提供精確而又可靠的環境信息，需要對測量數據和系統監控器操作進行可靠性檢查。系統監控器擁有大量有助于保證操作可靠性的功能。ADC的內置自動校準功能和傳感器可以糾正模擬測量系統中由工作環境造成的任何漂移。自檢功能還能讓系統主機對系統監控器的運行狀態進行監控。

利用系統監控器JTAG訪問功能

Virtex-5系統監控器還具備一個新功能，即通過JTAG TAP訪問模塊的所有功能。通過實現模擬測試和訪問模擬信息，您能夠利用系統中現有的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造條件。即使配置完FPGA，系統監控器也不需要在設計中進行明確例示，因此可以通過JTAG TAP訪問那些用于實現調試功能的特性，即使是在設計后期。為了確保系統監控器的可用性，唯一的要求在于，必須提供正確的PCB支持。這涉及與系統監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的物理運行環境進行監控。在圖2的例子中，系統監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（PDS）中的電壓（IR）降。在上述高活動期間，我們還監控了FPGA的溫度。能夠在開發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的冷卻系統。ChipScope Pro分析器可以輕松訪問系統監控器；而且，這種訪問功能還能夠輕松地集成到其它JTAG測試和編程環境中。

系統集成

除了能夠利用JTAG TAP輕松訪問系統監控器之外，還可以通過FPGA架構訪問系統監控器的控制和狀態寄存器。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監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的爭用現象。

在設計中例示系統監控器，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容。因此，可以對系統監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重配置端口（DRP）。DRP是一個并行的16位同步數據端口（類似于block RAM）。

對于需要對系統監控器進行更多控制的高級應用（此時）而言，DRP能夠讓系統監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管理應用，這里MicroBlaze處理器運行一個類似于協議的智能平臺管理接口（IPMI），并且通過管理通道（如以太網，甚至是簡單的UART/調制解調器）與系統主機進行通信。

系統監控器還以通用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系統監控器為一般的片上和外部環境監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和設計工作。通過將系統監控器和JTAG TAP控制器連接在一起，JTAG功能已經延伸到新的應用領域，從而實現了新的測試能力。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，特別是我們的開發隊伍如何更好地為您的系統監控和測試需求提供支持。