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Chipyard项目在VCU118开发板上实现JTAG调试功能的技术解析

2025-07-07 23:45:33作者:傅爽业Veleda

背景介绍

在基于RISC-V架构的芯片开发中,JTAG调试接口是开发人员必不可少的工具。Chipyard作为一个开源的芯片设计框架,支持在FPGA开发板上进行原型验证。本文主要探讨如何在Xilinx VCU118开发板上实现JTAG调试功能。

技术挑战

VCU118开发板默认配置中禁用了JTAG调试功能(通过WithNoDebug配置项)。当开发人员尝试移除该配置时,会遇到编译错误。这是因为VCU118的JTAG接口实现需要特殊的硬件连接和处理。

解决方案

硬件连接考虑

VCU118开发板提供了多种接口选项:

  1. 默认JTAG接口(主要用于FPGA编程和Xilinx调试核)
  2. FMC扩展接口
  3. PMOD接口

考虑到不影响常规FPGA编程和调试工作流,建议使用FMC或PMOD接口作为额外的JTAG调试接口,而不是占用默认JTAG接口。

软件实现方案

实现过程主要涉及以下几个方面:

  1. 覆盖层(Overlay)配置:利用fpga-shells中已有的JTAGDebugVCU118PlacedOverlay,该覆盖层负责将JTAG信号映射到开发板的物理引脚。

  2. HarnessBinder实现:创建自定义的HarnessBinder,将芯片的JTAG端口与覆盖层输出的JTAG接口连接起来。

  3. 引脚分配:根据开发板原理图,选择合适的FMC或PMOD引脚作为JTAG信号线。

关键代码结构

// JTAG覆盖层声明
val jtagPlacedOverlay = dp(JTAGDebugOverlayKey).head.place(JTAGDesignInput())

// HarnessBinder实现
class hbWithJtagDebug extends HarnessBinder({
  case (vcu118th: VCU118FPGATestHarnessImp, port: JTAGPort, chipId: Int) => {
    val jtag_io = vcu118th.outer_.jtagPlacedOverlay.overlayOutput.jtag.getWrappedValue
    // 连接jtag_io到port
  }
})

实现细节

  1. 电气连接方案:由于VCU118的SDIO占用了PMOD接口,建议使用FMC接口连接JTAG调试器,这需要相应的FMC转接板。

  2. 信号完整性:高速JTAG信号需要考虑信号完整性问题,特别是当使用长线缆连接时。

  3. 电源管理:确保调试器与FPGA板的电压电平兼容,避免损坏设备。

测试验证

实现后可以通过以下步骤验证JTAG功能:

  1. 使用OpenOCD连接JTAG调试器
  2. 通过GDB进行芯片调试
  3. 验证基本的调试功能,如暂停/继续执行、读写寄存器等

最佳实践建议

  1. 在正式产品中,考虑使用隔离的JTAG接口以提高安全性。
  2. 对于量产环境,可以保留JTAG接口但增加访问控制机制。
  3. 考虑添加状态指示灯,直观显示JTAG连接状态。

总结

在VCU118开发板上实现JTAG调试功能需要综合考虑硬件连接和软件配置。通过合理使用FMC或PMOD接口,可以在不影响原有FPGA编程和调试功能的前提下,增加对RISC-V处理器的JTAG调试支持。这一实现为基于Chipyard框架的芯片开发提供了重要的调试手段,大大提高了开发效率。

对于希望自行实现的开发者,建议仔细研究VCU118的原理图,选择合适的物理接口,并参考fpga-shells中的现有实现进行扩展。同时,要注意信号完整性和电源管理等硬件设计问题,确保调试连接的可靠性。

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