SignalTapII ELA的FPGA在線調試技術
[導讀]通過對FPGA內部信號的捕獲測試，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)設計缺陷的實時分析和修正。與外部測試設備相比，可以總結出SignalTapII ELA的幾點優(yōu)越性：不占用額外的I／O引腳，不占用PCB上的空間，不破壞信號的時序和完整性，不需額外費用；從多方面證實，該測試手段可以減少調試時間，縮短設計周期。
在設計基于FPGA的電子系統(tǒng)時，一般需要用示波器、邏輯分析儀等外部測試設備進行輸入輸出信號的測試，借助測試探頭把信號送到測試設備上進行觀察分析。當然，前提是需要保留足夠多的引腳，以便能選擇信號來驅動I／O進行測試。但是外部的測試設備在測試FPGA系統(tǒng)時，常會遇到這樣的情況：FPGA的I／O引腳數(shù)量不夠豐富，PCB布線和封裝丁藝復雜導致I／O引腳引出困難，外部測試探頭有影響FPGA信號時序和完整性的可能。
如果能在FPGA內部嵌入具有外部測試設備功能的邏輯測試模塊，那么以上問題就可以一一解決。SignalTapII就是這樣一種嵌入式邏輯分析器(embedded logicanaIyzer)，簡稱為SignalTapII ELA。它是QuartusII軟件中集成的內部邏輯分析軟件，使用它可以實時觀察內部信號波形，方便用戶查找設計的缺陷。
1 SignalTapII ELA的原理
SignalTapII ELA是Quartus軟件中第二代系統(tǒng)級調試工具。將SignalTapII ELA代碼和系統(tǒng)邏輯代碼組合交由QuartusII編譯、綜合、布局布線，生成sol文件中內含SignalTapII ELA，把sof文件配置到FPGA內。FPGA運行時，一旦滿足待測信號的觸發(fā)條件，SignalTapII ELA就立即啟動，按照采樣時鐘的頻率捕獲待測信號數(shù)據(jù)并暫存于FPGA片內的RAM中，采樣數(shù)據(jù)不斷刷新片內存儲器，最后通過JTAG口將捕獲的信號從片內RAM傳至Quartus II實時顯示。SignalTapII ELA的原理流程如圖1所示。
實際工程中，加入SignalTapII ELA不會影響系統(tǒng)原有的邏輯功能。
2 SignalTapII ELA的配置
SignalTapII ELA基本配置過程如下：
①添加采樣時鐘。SignalTaplI ELA在時鐘的上升沿進行采樣，可以使用設計系統(tǒng)中的任何信號作為采樣時鐘，根據(jù)Altera公司的建議最好使用同步系統(tǒng)全局時鐘作為采樣時鐘。但是在實際應用中，多數(shù)使用獨立的采樣時鐘，這樣能采樣到被測系統(tǒng)中的慢速信號，或與工作時鐘相關的信號。當然采樣時鐘的頻率要大于被測信號的最高頻率，否則被測信號波形會有較大誤差。
②定義采樣深度。采樣深度決定了待測信號采樣存儲的大小，而可以采樣的深度是根據(jù)設計中剩余的RAM塊容量和待測信號的個數(shù)決定的。若待測信號較多，則在同樣I／O Bank個數(shù)情況下采樣深度較淺。待測信號個數(shù)的增減和采樣深度的深淺會直接改變RAM塊的占用情況，采樣深度的范圍為0～128 KB。
③定義RAM類型。設置占用片內何種RAM塊資源，隨著采樣深度的改變，RAM塊的數(shù)據(jù)線和地址線寬度可以分割成多種組合。例如：采樣深度是1 KB，RAM數(shù)據(jù)線、地址線可以分割成2×512或4×256等多種組合。依此類推。
④定義觸發(fā)位置。Pre trigger position表示采樣到的數(shù)據(jù)12％為觸發(fā)前，88％為觸發(fā)后；Center trigger position表示采樣的數(shù)據(jù)處于觸發(fā)前后各一半；Post trigger position表示采樣到的數(shù)據(jù)88％為觸發(fā)前，12％為觸發(fā)后。
⑤觸發(fā)條件級數(shù)設置。SignalTapII ELA支持多觸發(fā)級的觸發(fā)方式，最多可支持10級觸發(fā)，幫助濾除不相干的數(shù)據(jù)，更快地找到需要的數(shù)據(jù)。若有多級觸發(fā)條件，首先分析第一級觸發(fā)條件。若第一級為TRUE，則轉到分析第二級是否滿足，直到分析完所有觸發(fā)條件均為TRUE才最終觸發(fā)時鐘采樣數(shù)據(jù)。
⑥觸發(fā)條件。設定約束性的觸發(fā)條件?？梢栽试S單個信號的獨立觸發(fā)條件Basic，直接采用單個外部或設計模塊內部的信號；也可以允許多個節(jié)點信號的組合觸發(fā)條件Advanced，構成觸發(fā)函數(shù)的觸發(fā)條件方程。例如：使能信號ENA與4位輸出信號Q相與后觸發(fā)，觸發(fā)條件=ENA&(Q=15)。
⑦添加待測信號?？梢允褂肗ode Finder中的SignalTapII ELA Filter查找所有預綜合和布局布線后的SignalTapII ELA節(jié)點，添加待測的中間信號和端口信號。SignalTapII ELA不可測試的信號包括：邏輯單元的進位信號、PLL的時鐘輸出、JTAG引腳信號、LVDS(低壓差分)信號等。
完成STP配置，將sof文件配置到FPGA，運行SignalTapII ELA，當待測信號條件滿足時，數(shù)據(jù)捕獲開始，捕獲的數(shù)據(jù)以波形的形式表示出來。SignalTapII ELA也可將捕獲數(shù)據(jù)通過多余的I／O引腳輸出，以供外部的測試設備使用。
3 實例分析
本文以一個基于DDR SDRAM高速數(shù)據(jù)采集IP核的設計為例，具體說明如何用SignalTapII ELA來進行FPGA在線調試。使用Altera公司的器件CyclonelI系列FPGA EP2C5F256C6，該器件支持SignalTap II ELA。
當前需要測試來自3個模塊的信號：外部存儲器DDR SDRAM與FPGA的接口信號、FPGA內部輸入輸出PIO寄存器信號、FPGA內部RAM接口信號。
先關閉增量編譯，設置采樣時鐘為外部獨立時鐘CLK=50 MHz；采樣深度為256；RAM類型為M4K，數(shù)據(jù)寬度分割為256×1；觸發(fā)位置為Pre trigger position；觸發(fā)信號為DDR SDRAM讀操作信號；觸發(fā)條件為Basic單信號觸發(fā)；觸發(fā)條件級數(shù)為1級。從圖2可知，該觸發(fā)信號設置為上升沿觸發(fā)有效。重新編譯后將包含SignalTapIIELA的sof配置文件下載到FPGA中，圖3即是從SignalTap II ELA數(shù)據(jù)窗觀察到的來自FPGA內部實時信號的捕獲波形。
如果設計文件中添加SignalTapII ELA后編譯時間顯著增加，可以考慮使用Start Analysis&Elaboration代替Start Analysis&Synthesis，這樣可以顯著縮短編譯時間。
加入SignalTapII ELA后，如果發(fā)現(xiàn)一些用于調試的邏輯(比如調試用的計數(shù)器)被優(yōu)化掉，不能出現(xiàn)在波形中，可以嘗試這樣解決：在HDL設計文件中對要調試的信號添加保持或保護屬性。
保持屬性主要用于信號和網絡節(jié)點。代碼如下(以VHDL為例)：
signal my_signal：bit；
attribute syn_keep：boolean；
attribute syn_keep of my_signal signal is true；
保護屬性主要用于寄存器。代碼如下(以VHDL為例)：
signal my_reg：std_logic；
attribute preserve：boolean；
attribute preserve of my_signal：signal is true；
通過改變待測信號的觸發(fā)方式和條件，可以捕獲到其他相類似的信號波形，這里就不一一列舉。
需要注意的是，SignalTapII ELA本身是一塊獨立邏輯資源，需要占據(jù)FPGA資源。比如RAM、LE等，資源消耗量與需采集的數(shù)據(jù)量成正比，采集存儲的數(shù)據(jù)深度由設計中的內部RAM剩余大小決定。在調試完成后，需將SignalTapII ELA從系統(tǒng)邏輯設計中移除，以免浪費資源和影響設計的性能。
結 語
通過對FPGA內部信號的捕獲測試，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)設計缺陷的實時分析和修正。與外部測試設備相比，可以總結出SignalTapII ELA的幾點優(yōu)越性：不占用額外的I／O引腳，不占用PCB上的空間，不破壞信號的時序和完整性，不需額外費用；從多方面證實，該測試手段可以減少調試時間，縮短設計周期。
如果能在FPGA內部嵌入具有外部測試設備功能的邏輯測試模塊，那么以上問題就可以一一解決。SignalTapII就是這樣一種嵌入式邏輯分析器(embedded logicanaIyzer)，簡稱為SignalTapII ELA。它是QuartusII軟件中集成的內部邏輯分析軟件，使用它可以實時觀察內部信號波形，方便用戶查找設計的缺陷。
1 SignalTapII ELA的原理
SignalTapII ELA是Quartus軟件中第二代系統(tǒng)級調試工具。將SignalTapII ELA代碼和系統(tǒng)邏輯代碼組合交由QuartusII編譯、綜合、布局布線，生成sol文件中內含SignalTapII ELA，把sof文件配置到FPGA內。FPGA運行時，一旦滿足待測信號的觸發(fā)條件，SignalTapII ELA就立即啟動，按照采樣時鐘的頻率捕獲待測信號數(shù)據(jù)并暫存于FPGA片內的RAM中，采樣數(shù)據(jù)不斷刷新片內存儲器，最后通過JTAG口將捕獲的信號從片內RAM傳至Quartus II實時顯示。SignalTapII ELA的原理流程如圖1所示。
實際工程中，加入SignalTapII ELA不會影響系統(tǒng)原有的邏輯功能。
2 SignalTapII ELA的配置
SignalTapII ELA基本配置過程如下：
①添加采樣時鐘。SignalTaplI ELA在時鐘的上升沿進行采樣，可以使用設計系統(tǒng)中的任何信號作為采樣時鐘，根據(jù)Altera公司的建議最好使用同步系統(tǒng)全局時鐘作為采樣時鐘。但是在實際應用中，多數(shù)使用獨立的采樣時鐘，這樣能采樣到被測系統(tǒng)中的慢速信號，或與工作時鐘相關的信號。當然采樣時鐘的頻率要大于被測信號的最高頻率，否則被測信號波形會有較大誤差。
②定義采樣深度。采樣深度決定了待測信號采樣存儲的大小，而可以采樣的深度是根據(jù)設計中剩余的RAM塊容量和待測信號的個數(shù)決定的。若待測信號較多，則在同樣I／O Bank個數(shù)情況下采樣深度較淺。待測信號個數(shù)的增減和采樣深度的深淺會直接改變RAM塊的占用情況，采樣深度的范圍為0～128 KB。
③定義RAM類型。設置占用片內何種RAM塊資源，隨著采樣深度的改變，RAM塊的數(shù)據(jù)線和地址線寬度可以分割成多種組合。例如：采樣深度是1 KB，RAM數(shù)據(jù)線、地址線可以分割成2×512或4×256等多種組合。依此類推。
④定義觸發(fā)位置。Pre trigger position表示采樣到的數(shù)據(jù)12％為觸發(fā)前，88％為觸發(fā)后；Center trigger position表示采樣的數(shù)據(jù)處于觸發(fā)前后各一半；Post trigger position表示采樣到的數(shù)據(jù)88％為觸發(fā)前，12％為觸發(fā)后。
⑤觸發(fā)條件級數(shù)設置。SignalTapII ELA支持多觸發(fā)級的觸發(fā)方式，最多可支持10級觸發(fā)，幫助濾除不相干的數(shù)據(jù)，更快地找到需要的數(shù)據(jù)。若有多級觸發(fā)條件，首先分析第一級觸發(fā)條件。若第一級為TRUE，則轉到分析第二級是否滿足，直到分析完所有觸發(fā)條件均為TRUE才最終觸發(fā)時鐘采樣數(shù)據(jù)。
⑥觸發(fā)條件。設定約束性的觸發(fā)條件?？梢栽试S單個信號的獨立觸發(fā)條件Basic，直接采用單個外部或設計模塊內部的信號；也可以允許多個節(jié)點信號的組合觸發(fā)條件Advanced，構成觸發(fā)函數(shù)的觸發(fā)條件方程。例如：使能信號ENA與4位輸出信號Q相與后觸發(fā)，觸發(fā)條件=ENA&(Q=15)。
⑦添加待測信號?？梢允褂肗ode Finder中的SignalTapII ELA Filter查找所有預綜合和布局布線后的SignalTapII ELA節(jié)點，添加待測的中間信號和端口信號。SignalTapII ELA不可測試的信號包括：邏輯單元的進位信號、PLL的時鐘輸出、JTAG引腳信號、LVDS(低壓差分)信號等。
完成STP配置，將sof文件配置到FPGA，運行SignalTapII ELA，當待測信號條件滿足時，數(shù)據(jù)捕獲開始，捕獲的數(shù)據(jù)以波形的形式表示出來。SignalTapII ELA也可將捕獲數(shù)據(jù)通過多余的I／O引腳輸出，以供外部的測試設備使用。
3 實例分析
本文以一個基于DDR SDRAM高速數(shù)據(jù)采集IP核的設計為例，具體說明如何用SignalTapII ELA來進行FPGA在線調試。使用Altera公司的器件CyclonelI系列FPGA EP2C5F256C6，該器件支持SignalTap II ELA。
當前需要測試來自3個模塊的信號：外部存儲器DDR SDRAM與FPGA的接口信號、FPGA內部輸入輸出PIO寄存器信號、FPGA內部RAM接口信號。
先關閉增量編譯，設置采樣時鐘為外部獨立時鐘CLK=50 MHz；采樣深度為256；RAM類型為M4K，數(shù)據(jù)寬度分割為256×1；觸發(fā)位置為Pre trigger position；觸發(fā)信號為DDR SDRAM讀操作信號；觸發(fā)條件為Basic單信號觸發(fā)；觸發(fā)條件級數(shù)為1級。從圖2可知，該觸發(fā)信號設置為上升沿觸發(fā)有效。重新編譯后將包含SignalTapIIELA的sof配置文件下載到FPGA中，圖3即是從SignalTap II ELA數(shù)據(jù)窗觀察到的來自FPGA內部實時信號的捕獲波形。
如果設計文件中添加SignalTapII ELA后編譯時間顯著增加，可以考慮使用Start Analysis&Elaboration代替Start Analysis&Synthesis，這樣可以顯著縮短編譯時間。
加入SignalTapII ELA后，如果發(fā)現(xiàn)一些用于調試的邏輯(比如調試用的計數(shù)器)被優(yōu)化掉，不能出現(xiàn)在波形中，可以嘗試這樣解決：在HDL設計文件中對要調試的信號添加保持或保護屬性。
保持屬性主要用于信號和網絡節(jié)點。代碼如下(以VHDL為例)：
signal my_signal：bit；
attribute syn_keep：boolean；
attribute syn_keep of my_signal signal is true；
保護屬性主要用于寄存器。代碼如下(以VHDL為例)：
signal my_reg：std_logic；
attribute preserve：boolean；
attribute preserve of my_signal：signal is true；
通過改變待測信號的觸發(fā)方式和條件，可以捕獲到其他相類似的信號波形，這里就不一一列舉。
需要注意的是，SignalTapII ELA本身是一塊獨立邏輯資源，需要占據(jù)FPGA資源。比如RAM、LE等，資源消耗量與需采集的數(shù)據(jù)量成正比，采集存儲的數(shù)據(jù)深度由設計中的內部RAM剩余大小決定。在調試完成后，需將SignalTapII ELA從系統(tǒng)邏輯設計中移除，以免浪費資源和影響設計的性能。
結 語
通過對FPGA內部信號的捕獲測試，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)設計缺陷的實時分析和修正。與外部測試設備相比，可以總結出SignalTapII ELA的幾點優(yōu)越性：不占用額外的I／O引腳，不占用PCB上的空間，不破壞信號的時序和完整性，不需額外費用；從多方面證實，該測試手段可以減少調試時間，縮短設計周期。
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