一、軟件與硬件平臺

軟件平臺：

操作系統(tǒng)：Windows 8.1

開發(fā)套件：ISE14.7

硬件平臺：

FPGA型號：XC6SLX45-CSG324

二、ChipScope介紹

ChipScope是Xilinx提供的一個校驗FPGA設(shè)計的工具。它的本質(zhì)是一個虛擬的邏輯分析儀，能調(diào)用FPGA內(nèi)部的邏輯資源對代碼中的各個變量進行抓取分析。與ModelSim等一些其他的FPGA仿真工具不同的是，ChipScope可以直接反映代碼在實際硬件上的執(zhí)行情況，從而能夠更加有效的定位設(shè)計中的問題。

三、目標任務(wù)

本文會以一個4-bit的計數(shù)器為例來給大家演示如何使用ChipScope來校驗這個計數(shù)器的功能。對于一個4-bit的計數(shù)器來說，計數(shù)器的最低位bit0是時鐘信號的2分頻，bit1是時鐘信號的4分頻，bit2是時鐘信號的8分頻，最高位bit3是時鐘信號的16分頻。接下來，我們就利用ChipScope來驗證這個邏輯的正確性。

我的開發(fā)板上有四個LED燈和四個按鍵，所以我會把計數(shù)器的4-bit分別綁定到四個LED燈上面，然后在邏輯里面設(shè)計一個異步復位按鈕用來復位這個計數(shù)器，同時設(shè)計這個異步復位還有一個目的就是用來設(shè)置初始的觸發(fā)條件，這一點后面會詳細介紹。

四、待測代碼

module led_top
(
input              I_clk            ,
input              I_rst_n          ,
output  reg [3:0]   O_led_out
);

always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
       if(!I_rst_n)
       O_led_out <=      4'd0 ;
       else
       　　O_led_out <= O_led_out + 1'b1 ;
end  

endmodule

寫好待測代碼，并添加物理約束文件綁定好管腳，我的開發(fā)板上的約束文件如下

NET I_clk LOC = V10 | TNM_NET = sys_clk_pin | IOSTANDARD = "LVCMOS33";

TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 50000 kHz;

NET I_rst_n         LOC = N4 | IOSTANDARD = "LVCMOS15"; ## SW2 pushbutton

NET O_led_out<0>    LOC = V5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED1
NET O_led_out<1>    LOC = R3 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED2
NET O_led_out<2>    LOC = T3 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED3
NET O_led_out<3>    LOC = T4 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";       ## LED4

五、ChipScope使用完整流程

1、利用上面的待測代碼和約束文件在ISE14.7中建立一個新工程。然后點擊Synthesize-XST把整個工程綜合一遍。

2、選中頂層模塊名led_top,然后鼠標右鍵選擇New Source選項，在彈出的New Source Wizard界面中選擇第二個ChipScope Definition and Connection File選項，并取名字ChipScope_LED（名字可以隨便取）,然后點擊Next

3、點擊Next以后在彈出的一下對話框中點擊Finish

4、Finish點擊完畢以后，等一段時間，工程的層次目錄就多出來了一個后綴為.cdc的ChipScope文件

5、雙擊ChipScope_LED.cdc文件，會彈出下面的界面，使用默認的設(shè)置保證Use SRLs和Use RPMs處于選中狀態(tài)

Use SRLs(SRL = Shift Register LUT)選項使編譯器用移位寄存器的查找表(Shift Register LUTs)代替觸發(fā)器(flip flops)和乘法器，因此它能有效的減少FPGA內(nèi)部資源，提高ChipScope性能

Use RPMs(RPM = Relationally Placed Macros)包含RLOC約束，RLOC定義了潛在設(shè)計原語的順序與結(jié)構(gòu)。Use RPMs讓編譯器用FMAP，HMAP，ROM，RAM等相關(guān)聯(lián)的宏模塊，使邏輯塊布局的更加合理，可以有效的提高速度與性能，并節(jié)省FPGA資源

6、上一步選擇完并點擊Next后彈出如下界面，這個界面保持默認設(shè)置

7、繼續(xù)點擊Next彈出如下界面。在這個界面中選擇觸發(fā)端口(Trigger Ports)的數(shù)目和它們各自的寬度(Trigger Width)，

說明：

a、這里建議先把觸發(fā)寬度(Trigger Width)選擇為最大值256，后面等信號添加完畢以后在回來修改為信號的總寬度。這么做是因為在一個比較復雜的設(shè)計中，你事先根本不知道自己要抓多少信號，所以等你把要抓的信號都設(shè)置好了以后在回來修改這個參數(shù)是比較好的選擇。

b、Match Type的類型一共有6種，每種支持的值類型與功能見下表

表中各參數(shù)的含義如下：

由于本例比較簡單，所以Match Type選擇為Basic就可以了

c、Enable Trigger Sequencer選項指定了觸發(fā)隊列的級數(shù),這個值保持默認即可。觸發(fā)隊列的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示

d、Enable Storage Qualification選項可以通過用戶自定義的條件去過濾捕獲的數(shù)據(jù)，這個選項一般讓它默認選上

8、點擊Next進入Capture Parameter選項卡，這一頁在這個例子中保持默認參數(shù)即可

說明：

a、Data Depth指的是當觸發(fā)條件滿足以后，采樣的數(shù)據(jù)的個數(shù)。這個值設(shè)置的越大，那么你得到的信息就越多，但相應的占用的FPGA內(nèi)部的資源也越多。如果你想抓取UART和IIC的數(shù)據(jù)，由于UART和IIC協(xié)議的傳輸速度較慢，所以這個值必須設(shè)置大一點才能看到比較多的信息，而對于SPI這種傳輸速度比較快的協(xié)議，這個值可以設(shè)置的小一些。

b、Data Same As Trigger選項的意思是你抓取的信號既可以觸發(fā)信號，也可以作為數(shù)據(jù)信號。這里給大家一個建議，對于inout信號(雙向信號),最好選擇只作為數(shù)據(jù)信號，不作為觸發(fā)信號。

9、點擊Next，進入Net Connections選項頁

10、雙擊紅色的CLOCK PORT選項，在彈出的界面中按照下圖1、2、3的順序把時鐘信號連上

11、連好時鐘信號以后點擊OK，返回到Net Connections界面，發(fā)現(xiàn)CLOCK PORT已經(jīng)由紅色變成了黑色，說明時鐘設(shè)置成功

12、接著雙擊紅色的TRIGGER PORTS，在彈出的界面中按照下圖1、2、3的順序設(shè)置要抓取的信號

13、要抓取的信號設(shè)置完畢以后點擊OK返回Net Connections選項頁，發(fā)現(xiàn)TRIGGER PORTS還是紅色的，這是因為我們先前設(shè)置的要抓取信號的總寬度是256，而這里我們只抓了5個信號，所以需要返回Trigger Parameter頁把Trigger Width設(shè)置為5

14、設(shè)置正確的Trigger Width以后，在回到Net Connections選項頁可以發(fā)現(xiàn)TRIGGER PORTS已經(jīng)變成黑色的了，說明信號連接全部設(shè)置正確。然后點擊Return To Project Navigator

15、在彈出的Save Project對話框中選擇“是”

至此，整個.cdc文件的設(shè)置過程全部設(shè)置完畢。

16、接著雙擊Generate Programming File生成bit文件

17、連接好開發(fā)板的Jtag線并上電。雙擊上張圖片最后一個選項Analyze Design Using ChipScope打開ChipScope界面如下所示

18、如果Jtag連接正常的話，會彈出下面的窗口，這個窗口表示找到了開發(fā)板使用的FPGA型號為XC6SLX45

19、點擊OK，左上角的P標簽變成了綠色，Jtag Chain多出了FPGA型號這個標簽

20、左鍵單擊選中DEV:0 MyDevice0 (XC6SLX45)，然后右鍵彈出菜單欄，在菜單欄中選擇Configure..

21、在彈出的界面中勾選Import Design-level CDC File和Auto-create Buses兩個選項

22、點擊OK，bit文件就被下載到了開發(fā)板中，然后進入以下界面

23、雙擊Trigger Setup和Waveform分別打開設(shè)置觸發(fā)的窗口和波形窗口

觸發(fā)窗口中的Depth就是我們之前在.cdc文件中設(shè)置要抓取的數(shù)據(jù)深度，Position這個參數(shù)默認情況是0，但是建議最好設(shè)置一個偏移量，這里我設(shè)置的是100，它表示的是把觸發(fā)條件滿足之前的100個數(shù)據(jù)和觸發(fā)條件滿足之后的924(1024-100)個數(shù)據(jù)顯示到波形窗口中，這樣我們就可以捕捉到在觸發(fā)之前的一部分信息，更有助于問題的定位。Storage Qualification這個參數(shù)就是之前在.cdc文件勾選了Enable Storage Qualification這個選項后才有的，一般選擇默認的All Data。

波形窗口是顯示要抓取的波形的窗口，這里還沒開始抓取，所以顯示為空。

24、點擊右上角的1號圖標，把Trigger Setup窗口放大，然后設(shè)置觸發(fā)條件為I_rst_n為R(R表示上升沿觸發(fā))，接著點擊3號圖標進入等待觸發(fā)狀態(tài)

25、等待觸發(fā)狀態(tài)

26、按一下開發(fā)板上I_rst_n信號綁定的按鈕，使觸發(fā)條件滿足，波形窗口出現(xiàn)了抓到的波形

上圖中紅色的T標尺代表的觸發(fā)的起始位置，它的位置不能移動；綠色的O和藍色的X是兩個可移動標尺，他們兩個的絕對位置以及差值均顯示在波形窗口的右下角，有時候需要測量兩個關(guān)鍵點的差值就可以拖動這兩個標尺來直接得出結(jié)果

27、按住鼠標左鍵在波形窗口中畫一個矩形框可以把波形窗口放大，可以看到更多的波形細節(jié)

28、如果我想讓O_led_out為4’b0010的時候觸發(fā)，那么修改觸發(fā)條件為如下圖所示，然后點擊觸發(fā)按鈕

29、由于我們設(shè)置的O_led_out一直在自增，所以不需要按按鍵，等O_led_out為4’b0010觸發(fā)條件滿足就可以觸發(fā)了，觸發(fā)以后的波形如下圖所示

顯然觸發(fā)位置在O_led_out為4’b0010的位置，和之前設(shè)置的相同。

30、如果你想查看O_led_out總線每一個bit的波形情況，可以點擊一下信號名前面的小圖標展開

31、如果你想看O_led_out總線的模擬波形，那么你可以雙擊Bus Plot標簽，在彈出的界面中選中O_led_out總線就可以了

32、更多的功能大家有空可以多多嘗試。至此ChipScope的教程就完畢了。

六、如何防止信號被優(yōu)化

在一個復雜的設(shè)計中，我們往往會抓大量的信號，而ISE14.7編譯代碼的時候會把一些有相同邏輯的信號給優(yōu)化掉，這會導致我們在選擇信號的時候找不到想要抓取的信號，針對這種情況給大家提供兩個解決辦法。

方法一：

1、在你想要抓取的所有信號前面加上(*KEEP = “TRUE”*)

(*KEEP = "TRUE"*)reg [3:0] R_cnt;

2、選中Synthesize-XST，鼠標右鍵在彈出的菜單欄中選擇Process Properties...

3、在彈出的窗口中選擇-keep_hierarchy為Soft，(Yes和Soft的區(qū)別我暫時不清楚，但是我習慣于選擇Soft，希望有網(wǎng)友能提供答案以及來源，謝謝)

4、設(shè)置完畢以后重新綜合，然后重新在.cdc選擇要抓取的信號

方法二：

上面一種方法根據(jù)我的經(jīng)驗并不能100%的保證信號不被綜合掉，所以還有另外一種方法是寫一段冗余邏輯把信號進行運算然后賦值給一個輸出，并把輸出引到頂層綁定一個空閑的管腳，這種情況我的處理方法是：

假設(shè)要抓取的信號是(*KEEP = "TRUE"*)reg [3:0] R_cnt;

1、定義1個輸出信號O_test;

Output O_test;

2、把要抓取的信號各位相或然后賦值給O_test

assign O_test = | R_cnt ;

R_cnt前面的“|”表示把R_cnt的每一bit按位相或，這行代碼和

assign O_test = R_cnt[0] | R_cnt[1] | R_cnt[2] ;

綜合出來的邏輯是一模一樣的

3、把O_test引到頂層并在約束文件中分配一個空余管腳

通過這種增加冗余邏輯的方式，R_cnt信號一般不會被綜合掉，我自己在平時的使用中會先使用第一種方法，如果發(fā)現(xiàn)第一種方法還是把我想看的關(guān)鍵信號綜合掉了的話就采用第二種方法。

七、采用例化ILA核的方式抓信號

除了采用.cdc文件抓取信號以外，還有一種方式是采用例化ILA核的方式抓信號的時序。這種方式的詳細操作流程如下：

1、添加一個新的ICON IP核

2、一般情況下保持所有的參數(shù)默認就可以了

3、再添加一個ILA 的IP核

4、在第一頁設(shè)置好相關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)的含義核.cdc文件中參數(shù)的含義一模一樣，這里不再過多解釋

5、第二頁主要是設(shè)置要抓取的信號寬度，值得注意的是這里可以設(shè)置大一點沒關(guān)系，因為這種方法不要求信號寬度和要抓的信號數(shù)目完全相同

6、生成這個兩個IP核以后，把這兩個IP核例化到代碼中

module led_top
(
input             I_clk            ,
input             I_rst_n          ,
output  reg [3:0] O_led_out
);

always @(posedge I_clk or negedge I_rst_n)
begin
if(!I_rst_n)
O_led_out <=      4'd0 ;
　　else
　　　　O_led_out <= O_led_out + 1'b1 ;
end  
 
wire [35:0]   　　CONTROL0;
wire [7:0]     　TRIG;

icon icon_debug (
    .CONTROL0(CONTROL0) // INOUT BUS [35:0]
);

ila ila_debug (
    .CONTROL(CONTROL0), // INOUT BUS [35:0]
    .CLK(I_clk),      // IN
    .TRIG0(TRIG)      // IN BUS [7:0]
);
                                                  
assign  TRIG[0]=I_rst_n;
assign  TRIG[4:1]=O_led_out;

endmodule

接下來就是生成bit文件并用ChipScope抓取信號了，和前一種方法一樣。

這種方法和前一種方法的區(qū)別在于這種方法只能抓取一個.v文件中的信號，而且速度生成IP核的比較慢，進入ChipScope中以后還需要自己修改端口的名字，比較浪費時間；好處就是可以100%保證抓到想抓的信號，所以對于邏輯不太復雜的單文件代碼可以采用這種方式。不過我個人還是比較喜歡用.cdc文件的方式來抓信號。

八、總結(jié)

1、用ILA邏輯分析儀抓信號有兩種方式：.cdc文件方式(推薦)和例化ILA核方式

2、在cdc文件中防止信號被優(yōu)化有兩種方式：keep_hierarchy選為Soft，增加冗余邏輯

審核編輯：劉清