對于FPGA調(diào)試，主要以Intel FPGA為例，在win10 Quartus ii 17.0環(huán)境下進(jìn)行仿真和調(diào)試，開發(fā)板類型EP4CE15F17。主要包括一下幾個部分：

- FPGA的調(diào)試-虛擬JTAG（Virtual JTAG）
- FPGA的調(diào)試-在線存儲器內(nèi)容編輯工具(In-system Memory Content Editor)
- FPGA的調(diào)試-內(nèi)嵌邏輯分析儀(SignalTap)
- FPGA的調(diào)試-LogicLock
- FPGA的調(diào)試-調(diào)試設(shè)計的指導(dǎo)原則

1、相關(guān)理論知識

1.1內(nèi)嵌邏輯分析儀

為方便用戶進(jìn)行調(diào)試，F(xiàn)PGA通常會內(nèi)置信號觀察邏輯，Altera提供的是SignalTap，而xilinx提供的則是ChipScope。此外還有第三方調(diào)試工具，如Synopsys的Identify。這類工具的核心原理為：以預(yù)先設(shè)定的時鐘速率實時采樣FPGA的內(nèi)部信號或者引腳狀態(tài)，并存儲于FPGA的內(nèi)部RAM中，然后通過統(tǒng)一的ELA（Embedded Logic Analyzer）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和管理。當(dāng)預(yù)設(shè)的觸發(fā)條件滿足后，ELA通過JTAG將存儲在片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)緩存數(shù)據(jù)傳輸至PC上。當(dāng)PC獲得JTAG回傳數(shù)據(jù)后，通過本地計算將對應(yīng)的邏輯分析結(jié)果展現(xiàn)出來。


因此，無論是GignalTap還是ChipScope，其實都是在工程中額外加一些特殊模塊實現(xiàn)信號的采集，所付出的代價包括：邏輯單元、內(nèi)部RAM以及ELA資源。邏輯分析儀的數(shù)據(jù)捕獲原理如圖2-53所示，所有存儲單元都是與當(dāng)前邏輯設(shè)計的RAM共享的。如果當(dāng)前邏輯占用RAM較大，內(nèi)嵌的邏輯分析儀功能將會有非常大的存儲深度限制。



從圖2-53很容易發(fā)現(xiàn)，邏輯觸發(fā)的時刻可以動態(tài)調(diào)整，而且存儲的數(shù)據(jù)長度與時間也很容易調(diào)整。此外由于FPGA內(nèi)置可編程能力，所以觸發(fā)條件可以依賴于其他的事件觸發(fā)，這樣可以多級觸發(fā)，形成基于狀態(tài)的數(shù)據(jù)捕獲。

例如當(dāng)A信號為高電平，且持續(xù)32周期后，如果此時B信號為低電平且C信號有一個低脈沖，則觸發(fā)一個等待事件；當(dāng)?shù)却录l(fā)生65536個時鐘周期后，再捕獲數(shù)據(jù)，并通過邏輯分析儀發(fā)送出來。這就是基于狀態(tài)機(jī)觸發(fā)的邏輯分析功能，類似于Verilog中的Assertion斷言和FSM狀態(tài)機(jī)的有機(jī)結(jié)合體，是傳統(tǒng)邏輯分析儀無法完成的。由于現(xiàn)在的邏輯通常都比較復(fù)雜，基于傳統(tǒng)的條件觸發(fā)模式，往往耗時耗力，很難快速找到BUG；而狀態(tài)觸發(fā)往往能夠幫助設(shè)計者快速定位錯誤并調(diào)試。

對于邏輯分析儀而言，除了觸發(fā)條件外，還有一個存儲位置的概念。正常情況下，F(xiàn)PGA會對需要CIA楊的數(shù)據(jù)一直采樣，當(dāng)數(shù)據(jù)放滿后，將采用循環(huán)覆蓋的方式存儲，這類似于FIFO中的卷繞（WRAP）概念。當(dāng)觸發(fā)器觸發(fā)后，通常緩沖器都是滿的；如果采用預(yù)觸發(fā)，將繼續(xù)記錄當(dāng)前存儲容量12%的數(shù)據(jù)后停止（有些廠商是不再記錄，直接用當(dāng)前記錄數(shù)據(jù)）；如果采用后觸發(fā)，將繼續(xù)記錄當(dāng)前存儲容量的88%的數(shù)據(jù)后，停止記錄（有些廠商是記錄全部容量）；如果是中間觸發(fā)，將繼續(xù)記錄當(dāng)前存儲容量的1/2的數(shù)據(jù)。實際上什么時候開始記錄，什么時候停止都可以通過狀態(tài)觸發(fā)實現(xiàn)。捕獲數(shù)據(jù)的概念示意圖如圖2-54所示。



下面通過SignalTAP為例，簡單講述內(nèi)嵌邏輯分析儀的調(diào)試技巧。

1.2 SignalTap

SignalTAP是Altera內(nèi)置的邏輯信號觀測工具，內(nèi)部實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖所示。



根據(jù)前面的邏輯分析儀原理，很容易得知FPGA可以實現(xiàn)多個并行的ELA。通過FSM和條件判斷支持多級觸發(fā)，F(xiàn)PGA也能夠支持復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)捕獲。令觸發(fā)條件加上一個計數(shù)器，就很容易使FPGA能在不同的起始時刻捕獲數(shù)據(jù)。而Altera所設(shè)計的SignalTAP正好是按照上訴方式設(shè)計的，其特點如下：

最大支持1024個數(shù)據(jù)捕獲通道

單個器件支持多個并發(fā)的邏輯分析模塊，包括跨多個時鐘域的信號

每個數(shù)據(jù)捕獲通道能夠支持10級觸發(fā)

支持在不同的位置進(jìn)行捕獲，包括信號前段、中段和后段。

SignalTAP的捕獲流程如圖所示。

1.2.1 SignalTap的界面

操作界面如圖所示。



1.2.2 SignalTap的演示

演示放在實例里

1.2.3 SignalTap的基本觸發(fā)模式

當(dāng)啟動邏輯分析儀后，SignalTAP會對被監(jiān)視的信號進(jìn)行不斷的采樣，一直到某個條件滿足后停止，這個條件就是觸發(fā)條件。在基本模式下，觸發(fā)條件被設(shè)定為當(dāng)前信號的邏輯組合。當(dāng)邏輯組合滿足某個值后，觸發(fā)條件將被滿足，數(shù)據(jù)將被采樣保存并上傳到PC。

下圖是SignalTAP的基本觸發(fā)模式示意圖。



1.2.4 SignalTap的Advanced Trigger模式

在信號列表Trigger Conditions欄的頂端選擇Advanced，Advanced會彈出邏輯編輯器，在這里可以設(shè)計一個復(fù)雜的觸發(fā)表達(dá)式。

1.2.5 SignalTap基于狀態(tài)觸發(fā)的觸發(fā)模式

基于狀態(tài)觸發(fā)的邏輯分析儀模式是FPGA內(nèi)嵌分析儀的而核心技術(shù)，主要技巧在于任何通過狀態(tài)觸發(fā)語句實現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的觸發(fā)。下圖是狀態(tài)機(jī)觸發(fā)的工作界面。



在設(shè)定觸發(fā)條件前，先需要確定基本的觸發(fā)條件，具體如圖所示。



在設(shè)定基本觸發(fā)條件后，就可以啟動狀態(tài)機(jī)的腳本設(shè)計，下面通過幾個例子來說明狀態(tài)機(jī)觸發(fā)的實現(xiàn)方法：

1）當(dāng)條件condition1不滿足，且持續(xù)時間超過5個時鐘周期后，觸發(fā)觸發(fā)器，相關(guān)理想波形如圖所示：



對應(yīng)的狀態(tài)機(jī)觸發(fā)代碼如下：



2）當(dāng)條件condition1不滿足情況發(fā)生，且不滿足情況在不超過5個時鐘周期內(nèi)，又發(fā)生條件condition1滿足的情況，則觸發(fā)觸發(fā)器，否則停止觸發(fā)。一個典型的例子圖下圖所示。



上訴觸發(fā)觸發(fā)器的腳本如下：



3）當(dāng)condition條件滿足5次后，觸發(fā)觸發(fā)器，否則停止觸發(fā)。該例子的腳本如下：



4）當(dāng)condition1條件滿足后，如果condition2能夠滿足，則立即觸發(fā)觸發(fā)器，否則停止觸發(fā)。該例子的腳本如下：



5）當(dāng)condition1條件滿足后，如果5個采樣時鐘周期內(nèi)，condition2能夠滿足，則立即觸發(fā)觸發(fā)器，否則停止觸發(fā)。該例子的腳本如下：

由于任何復(fù)雜的條件都可以簡化為順序、分支和循環(huán)3種情況，通過計數(shù)器能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)，通過條件判斷可實現(xiàn)分支，而通過狀態(tài)機(jī)可實現(xiàn)流程控制。因此任意復(fù)雜的條件觸發(fā)，都能夠通過上訴條件組合捕獲。

前面所舉的5個例子，就是上訴不同場景的組合，因此讀者只需要將上訴5個例子進(jìn)行組合就能基本掌握觸發(fā)條件的實現(xiàn)，熟練進(jìn)行FPGA調(diào)試。

2、簡單實例

2.1 新建工程

首先新建一個工程，然后添加文件，文件內(nèi)容如下：

module test ( input CLOCK, RESET, output [7:0]oData );

 reg [7:0]C1;

always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
if( !RESET )
C1 <= 8'd0;
else if( C1 == 32 -1 )
C1 <= 8'd0;
else
C1 <= C1 + 1'b1;

assign oData = C1;

endmodule

邏輯非常簡單，其中，CLOCK是時鐘引腳，RESET是復(fù)位引腳，這只模塊的功能就是不斷重復(fù)計數(shù)，然后將計數(shù)

內(nèi)容經(jīng)由 Data 輸出。接下來綜合，分配引腳后就可以設(shè)置SigalTAP了。

1.2 配置SignalTapII Logic Analyzer

如圖所示，點擊 Tool 菜單，然后選擇 SignalTapII Logic Analyzer 便可啟動該工具。



下圖是 Signal Tap 的窗口，其中 4 處高亮的地方是比較重要的界面。

（一）JTAG Chain Configuration，JTAG 界面，主要是設(shè)置 USB Blaster。

（二）Instance Manager，調(diào)試界面，主要是啟動，連續(xù)，結(jié)束等調(diào)試的活動。

（三）Signal Configuration，信號界面，主要是儲存，觸發(fā)等設(shè)置。

（四）Data，顯示界面，主要是顯示采集結(jié)果，時序活動。

（五）Setup，設(shè)置界面，主要是添加節(jié)點，設(shè)置觸發(fā)事件/條件等。



① JTAG 界面 - 配置 JTAG 以及下載對象

如圖所以，設(shè)備一旦上電，并且 USB Blaster 鏈接成功，那么 JTAG 界面就會進(jìn)入緒狀態(tài)。

如圖 所示，SOF Manager 是小型下載管理器，讀者也可以經(jīng)由一般的下載管理器完成下載工作，不過一切下載活動必須在配置結(jié)束以后才執(zhí)行（綜合成功并且下載）。

② 信號界面 - 配置采集時鐘，儲存，觸發(fā)：

一旦 JTAG 就緒以后，我們就可以開始執(zhí)行信號相關(guān)的配置。如圖 3.6 所示，默認(rèn)下的信號界面都是這個樣子，其中：



? Clock 是采集時鐘
? Sample depth 是儲存/采集深度
? RAM Type 是儲存資源
? Storage Qualifier - type 是儲存方式

首先，讓我們設(shè)置采集時鐘，所以請點擊 Clock 選項右邊的 < … >，完后會彈出節(jié)點界面。



圖中 是節(jié)點界面，這點它和 Time Quest 非常相似：

① 請讀者保持 Named：* 不變的情況下，
② Filter 選擇為 ，
③ 注意 Look in 指向頂層模塊 ，
④ 然后點擊右上角的 < List >。

如下圖 所示，這是添加節(jié)點（采集時鐘）的步驟：

① 點擊 列出所有 demo 模塊相關(guān)的端口。
② 諸多端口之中，節(jié)點 CLOCK 將成為采集時鐘，然后點擊它。
③ 點擊 > 將該節(jié)點添加到右邊。
④ 點擊 < OK > 生效設(shè)置。



如下圖所示，采集時鐘設(shè)置完畢以后，Clock 右邊的文本框就會出現(xiàn) CLOCK 的字眼。



如下圖 所示，一般上儲存相關(guān)的配置都會這樣設(shè)定：

① Sample depth 儲存深度按照感覺設(shè)置，這里是 256。
② RAM type 儲存資源，有 Auto 就設(shè)置，非常省事，不然就是 M4K/M9K，還是 Logic。
③ Storage qualifier - type 儲存方式選擇 Continuous 連續(xù)性即可。

讀者可能無法相信，高達(dá) 8 成的調(diào)試工作都是按照這樣的設(shè)定與配置。



如圖 3.11 所示，一般上觸發(fā)相關(guān)的配置都是這樣設(shè)定：



① Trigger flow control，觸發(fā)條件流程，這里選擇 Sequential 順序性即可。
② Trigger position，觸發(fā)位置，這里選擇 Pre trigger position 即可。
③ Trigger conditions，觸發(fā)條件數(shù)，這里選擇一個即可。

同樣，讀者可能也無法相信，高達(dá) 8 成的調(diào)式工作也是按照這樣的觸發(fā)配置。到目前為止，信號界面的配置工作總算告一段落。

③ 配置界面 - 添加采集對象：
如圖 3.12 所示，配置界面就是添加節(jié)點（采集對象）的地方，默認(rèn)下它是空空如也，我們必須自行添加對象才行。
① < 右鍵 > 調(diào)出菜單，
② 點擊 < Add Nodes … > 添加節(jié)點。

完成上面兩個步驟以后，它就會跳出節(jié)點界面。



如上圖所示，同樣的節(jié)點界面再次出現(xiàn)：

① 請保持 Named:* 不變，
② Filter 設(shè)為 < Pins: all >，
③ Look in 設(shè)為 頂層模塊，
④ 點擊 列出，demo 模塊所有相關(guān)的端口。



如上圖 所示，假設(shè) oData 是采集對象：

① 點擊 列出頂層模塊 demo 的所有端口，
② 選擇 oData，
③ 點擊 > 將節(jié)點添加到右邊去，
④ 點擊 生效配置。

如下圖所示，如果一切無誤的話，那么節(jié)點（采集對象）oData 就會出現(xiàn)在配置界面之中。完后，我們可以開始配置觸發(fā)事件。



④ 觸發(fā)事件：



如上圖所示，筆者曾在前面說過觸發(fā)事件可以是單一或者復(fù)數(shù)，其中 Basic AND 與Basic OR 就是用來表達(dá)復(fù)數(shù)觸發(fā)事件的關(guān)系。我們以同樣的例子作為解釋 …



如上圖所示，假設(shè)信號 A 的下降沿是事件 1，信號 B 的低電平是事件 2，那么 Baisc AND的邏輯關(guān)系造成兩者在成立的情況下才執(zhí)行采集。反之，Basic OR 的邏輯關(guān)系造成，任一事件成立都會執(zhí)行采集。在此，筆者選擇 Basic AND 就好了 …



言歸正題。筆者也說過，Signal Tap 有預(yù)設(shè)觸發(fā)事件以及高級觸發(fā)事件，后者必須將觸發(fā)事件設(shè)為 Advance 才行，反之預(yù)設(shè)觸發(fā)事件可以：

① 觸發(fā)事件表框之處 <右鍵>，
② 選擇 。

默認(rèn)下，Signal Tap 自帶 7 個預(yù)設(shè)觸發(fā)事件，在此筆者選擇數(shù)值的觸發(fā)事件，隨后會彈出相關(guān)的窗口。



如上圖所示，這是配置數(shù)值觸發(fā)事件的窗口：
① 選擇格式，這里是 < Unsigned Decimal >，無符號位的十進(jìn)制，
② 輸入數(shù)值，這里是 5，
③ 點擊 生效配置。



上圖 是觸發(fā)事件配置完畢的情況，其中 oData 為 5 執(zhí)行采集。到目前為止，配置工作已經(jīng)是完成八九十，余下再綜合一起便可下載至設(shè)備，期間系統(tǒng)可能要求保存一切配置，例如 stp1.stp 什么的，讀者可以保存在任一的地方。



如圖一切無誤的話，那么實驗三層次關(guān)系與文件關(guān)系的結(jié)果如上圖 所示，其中 sld_×× 就是 Signal Tap 模塊的實例化，讀者也可以認(rèn)為那是調(diào)試模塊（環(huán)境）。

⑤ 采集界面：



如圖 3.22 所示，程序下載以后，如果環(huán)境創(chuàng)建失敗的話，那么它會呈現(xiàn)紅色（左圖）。反之，如果環(huán)境創(chuàng)建成功，那么它會打印 Ready to acquire 的字眼。一般上，調(diào)試環(huán)境創(chuàng)建失敗有幾個原因：

JTAG 未就緒

程序下載失敗

綜合結(jié)果過期

設(shè)備未上電

以上 4 個原因排除以后，調(diào)試工作就處于就緒狀態(tài)。



如圖 3.23 所示，采集界面主要有 4 個選項控制整個采集過程。

① Run Analysis 手動執(zhí)行，觸發(fā)事件誘發(fā)采集，達(dá)到采集次數(shù)自動停止。
② Auto Analysis 自動執(zhí)行，無視觸發(fā)事件，采集次數(shù)，采集一切。
③ Stop，停止執(zhí)行，停止采集。
④ Read Data，讀取數(shù)據(jù)，讀取緩沖空間的內(nèi)容。

一般上，如果觸發(fā)事件配置無誤的話，我們只要按下手動執(zhí)行，那么觸發(fā)事件會誘發(fā)采集，當(dāng)采集達(dá)到某個次數(shù)以后（根據(jù)儲存深度），采集過程就會結(jié)束。讀者沒有看錯，采集界面只有 4 個選項而已，其中手動執(zhí)行最為有用，因為其它選項只有在采集失敗的情況下（觸發(fā)事件未達(dá)成）才會派上用場，真是諷刺。例如，停止執(zhí)行要么強(qiáng)制停止失控的采集現(xiàn)場，要么配合自動執(zhí)行一起使用。換之，讀取數(shù)據(jù)也是在采集失控的情況下，強(qiáng)制從設(shè)備中（緩沖空間）讀取數(shù)據(jù)。好了，我們稍微點擊一下手動執(zhí)行，然后悄悄采集結(jié)果。



根據(jù) demo 模塊，我們知道它重復(fù)計數(shù) 0~31。如圖 3.24 所示，T0 表示觸發(fā)事件的達(dá)成之際也是采集工作的開始，其中未來值 5 就是觸發(fā)事件的達(dá)成條件 … 簡單的調(diào)試工作也到此結(jié)束。

3 （補(bǔ)充）Signal Tap 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試流程

如圖 3.25 所示，雖說這是是官方指定的標(biāo)準(zhǔn)流程，不過筆者還是建議看看就好，千萬不要太認(rèn)真，迷信“標(biāo)準(zhǔn)”這種東西很容易害死人。圖 3.25 有一處值得說明的地方是，觸發(fā)事件發(fā)生失敗的時候，如果跟著流程游蕩，它會要求手動停止分析，如果 Signal Tap顯示結(jié)果就進(jìn)行分析，反之就是從設(shè)備哪里強(qiáng)制讀取結(jié)果。



最后，好事的筆者也為實驗三的配置過程繪出一副流程圖，結(jié)果如圖 3.26 所示，讀者自己看著辦。


4 （補(bǔ)充）添加節(jié)點

筆者相信許多第一次接觸的同學(xué)都會畏懼節(jié)點的過濾選項。如圖 3.27 所示，不甘寂寞的官方為我們準(zhǔn)備那么多選項，多少有些弄巧成拙的感覺，有關(guān)過濾選項基本上可以分為兩大類以致縮小范圍。其一是 Pin 端口類，其二就是 Reg 寄存器類，筆者喜歡的選項卻只有 Pins:all 以及 Register : pre-synthesis 兩個而已。



顧名思義 Pins:all 就是所有端口的意思，如果 Look in 指向模塊 A，那么模塊 A 的端口就會顯示出來（不管有沒有賦值驅(qū)動）。反之，Register:pre-synthesis 就是綜合以后的寄存器，如果 Look in 指向模塊 B，那么模塊 B 的所有寄存器都會暴露出來。除此之外，發(fā)狂的筆者偶爾不顧其它直接選擇 Design Entry，即不管什么鬼東西統(tǒng)統(tǒng)都給老子舉例出來 …

審核編輯：劉清