如何提高基于FPGA的原型的可視性

采用基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的原型的驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)面臨的最大挑戰(zhàn)之一在于當(dāng)原型系統(tǒng)未能發(fā)揮期望的性能時(shí)了解原型系統(tǒng)的內(nèi)部行為。分析和調(diào)試這些設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是難以觀察內(nèi)部信號。

目前的頂級FPGA在容量和性能方面均提供巨大的能力。例如，Xilinx Virtex-5家族成員包含成千上萬可以配置成邏輯、RAM或移位寄存器的邏輯單元。此外，這種可編程邏輯可與硬IP塊搭配使用，如工作頻率全部高達(dá)550MHz的兆位RAM以及數(shù)百個(gè)25×18乘法器/DSP功能。

這些可能還包含多個(gè)硬和/或軟處理器內(nèi)核和相關(guān)外圍器件的設(shè)備可以用作ASIC和片上系統(tǒng)(SoC)元器件的功能強(qiáng)大的原型平臺。

新工具、改進(jìn)的方法以及更高的抽象級正在幫助工程師實(shí)踐不同的宏架構(gòu)和微架構(gòu)，并幫助他們提高其總設(shè)計(jì)生產(chǎn)力。

對于驗(yàn)證而言，這些設(shè)計(jì)的絕對規(guī)模和復(fù)雜度再加上大幅增加的軟件內(nèi)容使得FPGA原型對于通過硬件加速提高驗(yàn)證吞吐能力以及提供一個(gè)早期的軟件開發(fā)平臺都是一個(gè)極具吸引力的選擇方案。但是，成功的原型要求當(dāng)設(shè)備無法按預(yù)期工作時(shí)對發(fā)生的狀況和工程師必須調(diào)試的對象予以應(yīng)有的考慮。

如上文所述，分析和調(diào)試原型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素在于難以觀察內(nèi)部信號。問題在于可能有成千上萬個(gè)這樣的信號，但是這些信號可能僅通過設(shè)備上的有限個(gè)輸入/輸出(I/O)引腳暴露在外界。

此外，觀察內(nèi)部信號的操作會影響設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。選擇要監(jiān)視的合適信號是一個(gè)并不瑣細(xì)的任務(wù)，修改設(shè)計(jì)以觀察這些信號會耗費(fèi)工程和FPGA資源。同樣，捕獲、轉(zhuǎn)出和記錄要觀察的信號值也要花時(shí)間。

訪問和分析FPGA內(nèi)部信號的任務(wù)復(fù)雜、繁瑣而耗時(shí)，這取決于所用的方法。話雖如此，不過總過程也可以分成五個(gè)主要步驟：1. 確定一組要觀察的信號；2. 修改設(shè)計(jì)，以觀察所選的信號；3. 當(dāng)FPGA在原位工作時(shí)觀察并找回?cái)?shù)據(jù)；4. 將找回的數(shù)據(jù)映射至最初的RTL表示法；5. 計(jì)算不在最初觀察的信號組中的其它信號的數(shù)據(jù)。

本文首先討論與執(zhí)行這些活動(dòng)有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)的局限性。然后介紹新興的可視性增強(qiáng)技術(shù)；這種新的技術(shù)包括一組縮減的要觀察的信號的自動(dòng)交互選擇以及填充“遺漏片段”(未觀察到的信號值)的“數(shù)據(jù)擴(kuò)展”技術(shù)。

傳統(tǒng)技術(shù)的局限性

就像剛才提到的，采用傳統(tǒng)技術(shù)定位、分析和調(diào)試FPGA中的問題可能極其繁瑣和耗時(shí)。其中的原因可以簡單地進(jìn)行總結(jié)。

這個(gè)過程的第一步是決定哪些信號需要進(jìn)行觀察(捕獲和轉(zhuǎn)出)。但是要觀察的信號量的增加會增加捕獲信號所需的邏輯資源以及將其數(shù)據(jù)值傳達(dá)給外界所用的時(shí)間。由于這些原因，因此可能只能在特定時(shí)間(即特定的驗(yàn)證運(yùn)行)觀察有限個(gè)信號。

這里的問題在于選擇要監(jiān)視的最佳信號是一個(gè)并不瑣細(xì)的任務(wù)。例如，看起來是監(jiān)視的最佳選擇的寄存器可能實(shí)際上只能為設(shè)計(jì)的操作提供有限的可視性。相比之下，表面上無害的寄存器可能為設(shè)計(jì)提供極高的可視性。

一旦選定一組要監(jiān)視的信號，必須對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改以便允許直接觀察信號，或者允許捕獲信號并將其轉(zhuǎn)出到外界。廣義上講，這叫可調(diào)試性設(shè)計(jì)(Design-for-Debug，DFD)。在以前的技術(shù)案例中，設(shè)計(jì)可以通過多路復(fù)用器和控制邏輯進(jìn)行擴(kuò)展，多路復(fù)用器和控制邏輯可以用來通過主要輸出引腳來將所選的內(nèi)部信號呈現(xiàn)到外界。一般而言，這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)往往是一種內(nèi)部的專門技術(shù)，這些實(shí)現(xiàn)需要大量工作來有限地了解芯片內(nèi)部正在發(fā)生的狀況。

替代技術(shù)是采用內(nèi)部邏輯分析儀(ILA)。這些分析儀可能是內(nèi)部技術(shù)，但是FPGA供應(yīng)商或?qū)I(yè)的第三方供應(yīng)商一般都提供這些分析儀(以及相應(yīng)的配置應(yīng)用)。每個(gè)ILA都是采用可配置邏輯單元和RAM區(qū)塊的組合而構(gòu)造的。ILA的控制邏輯被設(shè)計(jì)成允許特定的觸發(fā)條件(或組合的觸發(fā)條件)開始捕獲一個(gè)或更多特定信號并將與這些信號相關(guān)的屬性(如數(shù)據(jù)值和時(shí)間戳記)存儲在片上內(nèi)存中。在某個(gè)階段，這些值必須被轉(zhuǎn)出到外界。這種情況下的一般技術(shù)是采用芯片的JTAG端口。

設(shè)計(jì)你自己的ILA不僅耗時(shí)而且費(fèi)力。事實(shí)上很難確定是自動(dòng)調(diào)試設(shè)計(jì)的還是ILA在調(diào)試設(shè)計(jì)。甚至在使用FPGA供應(yīng)商的經(jīng)過驗(yàn)證的魯棒ILA時(shí)，每次選定要監(jiān)視的一組新的信號時(shí)仍然需要對設(shè)計(jì)進(jìn)行重新編譯。重新編譯的工作可能要花幾個(gè)小時(shí)，因此最好最大限度地減少需要執(zhí)行這個(gè)任務(wù)的次數(shù)。

在設(shè)計(jì)修改和設(shè)計(jì)重新編譯階段之后，進(jìn)行驗(yàn)證運(yùn)行，并捕獲來自內(nèi)部信號的數(shù)據(jù)。為了讓這些數(shù)據(jù)可用于下游調(diào)試工具，數(shù)據(jù)必須包含特定的屬性。除了數(shù)據(jù)本身的邏輯值之外，數(shù)據(jù)必須包含信號的完整分層實(shí)例名以及每個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的相對操作時(shí)間(時(shí)間戳記)。此外，轉(zhuǎn)出數(shù)據(jù)的文件格式應(yīng)為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如VCD或FSDB。

在專有解決方案案例中，有必要將這些屬性添加到信號數(shù)據(jù)流和/或?qū)?nèi)部格式轉(zhuǎn)換成其對應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式。幸運(yùn)的是，F(xiàn)PGA供應(yīng)商和專業(yè)供應(yīng)商提供的ILA一般捕獲必需的數(shù)據(jù)并使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式。

從ILA收集的數(shù)據(jù)通常與FPGA的門級視圖有關(guān)。但是設(shè)計(jì)工程師更熟悉設(shè)計(jì)的RTL表示法。因此，為了為調(diào)試過程提供便利，有必要將門級實(shí)例映射成RTL視圖。這并不像聽起來那樣簡單，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下，門級實(shí)例和RTL視圖之間并沒有一一對應(yīng)關(guān)系。許多傳統(tǒng)的內(nèi)部解決方案都無法提供這種能力。

驗(yàn)證運(yùn)行之后，訪問和分析其它信號以對問題進(jìn)行跟蹤始終都是有必要的。當(dāng)采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程時(shí)，設(shè)計(jì)工程師必須返回上述五個(gè)步驟中的第一步。即，他們必須選擇一組新的信號、修改設(shè)計(jì)并對其進(jìn)行重新編譯、執(zhí)行新的驗(yàn)證運(yùn)行、將新數(shù)據(jù)映射至RTL，然后分析結(jié)果。這個(gè)過程必須重復(fù)多次。

可視性增強(qiáng)技術(shù)

為了解決傳統(tǒng)FPGA原型調(diào)試環(huán)境的局限性，出現(xiàn)了一種為設(shè)計(jì)的內(nèi)部工作提供增強(qiáng)可視性的技術(shù)。為了達(dá)到完全的效果，可視性增強(qiáng)工具和技術(shù)必須應(yīng)用于流程中的每一個(gè)步驟。

如上所述，過程中的第一步是確定哪些信號需要觀察。根據(jù)系統(tǒng)展示的不正確輸出，設(shè)計(jì)工程師通常對相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)功能區(qū)塊有“感覺”。例如，內(nèi)存控制器和/或總線仲裁器區(qū)塊。

作為單靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐的方法，你需要能夠觀察區(qū)塊(通常為寄存器、內(nèi)部內(nèi)存定位和區(qū)塊的主要輸入/輸出)內(nèi)部大約15%的信號。這將在本小節(jié)后面討論的自動(dòng)數(shù)據(jù)擴(kuò)展技術(shù)環(huán)境中提供95%～100%的可視性。

遺憾的是，資源限制不允許捕獲所有這些信號。在這種情況下，選擇為振動(dòng)提供最佳碰撞的信號顯然是更可取的。因此，可視性增強(qiáng)信號選擇包括“影響能力”的概念，即每個(gè)信號影響的下游邏輯的量。為了確定調(diào)試所選區(qū)塊所需的基本信號最小陣容，你將必須分析斷言、RTL或門級網(wǎng)表代碼，有時(shí)這三項(xiàng)都需要關(guān)注以*估影響能力。例如，為了調(diào)試斷言故障，可視性增強(qiáng)信號選擇將分析設(shè)計(jì)和所選的斷言，以抽取調(diào)試每個(gè)斷言所需的最小的一組信號。

此外，如果設(shè)計(jì)工程師對他們希望觀察的一組信號進(jìn)行了明確的定義(這樣的選擇可以在RTL和/或門級網(wǎng)表中進(jìn)行)，可視性增強(qiáng)信號選擇工具將自動(dòng)識別任何寄存器、內(nèi)存元件以及觀察指定的內(nèi)部信號所必須捕獲的主要I/O。

一旦選定一組要監(jiān)視的信號，可視性增強(qiáng)環(huán)境將自動(dòng)與FPGA和/或第三方工具供應(yīng)商溝通，以通過增加適當(dāng)?shù)腎LA來修改設(shè)計(jì)。在沒有足夠的資源捕獲所有所需信號的情況下，可視性增強(qiáng)環(huán)境將以被認(rèn)為具有更多上述影響能力的信號作為其選擇的基礎(chǔ)。

在執(zhí)行驗(yàn)證運(yùn)行時(shí)，可視性增強(qiáng)環(huán)境將自動(dòng)記錄和/或提供下游分析和調(diào)試環(huán)境所需的所有信息；該信息將包括邏輯值、信號的完整分層實(shí)例名以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的相對操作時(shí)間。此外，轉(zhuǎn)出數(shù)據(jù)文件的格式將為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式，如VCD或FSDB。

正如上文指出的，從ILA收集的數(shù)據(jù)通常與FPGA的門級視圖有關(guān)。為了了解這種門級邏輯中發(fā)生的狀況，工程師必須使門級數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的RTL表示法相互關(guān)聯(lián)，甚至與系統(tǒng)級描述相互關(guān)聯(lián)。

但是，由于合成和優(yōu)化的原因，并非門級表示法中的每個(gè)信號均有RTL表示法的相應(yīng)信號。為了解決這個(gè)問題，可視性增強(qiáng)環(huán)境必須以某種方式地方化信號相關(guān)性。其中一個(gè)方法是自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)依賴圖像并采用近似的圖像匹配算法。這個(gè)方法模仿人類使用的過程，人類通常通過查看扇入?yún)^(qū)和扇出區(qū)中的寄存器來定位相應(yīng)區(qū)域。

或許可視性增強(qiáng)最重要的方面在于其動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)擴(kuò)展能力。但是這種能力依賴于所有上述要點(diǎn)，特別是可視性增強(qiáng)信號選擇。選擇要觀察的信號的宗旨就是為了便于自動(dòng)數(shù)據(jù)擴(kuò)展。

以下是數(shù)據(jù)擴(kuò)展的思路。通常，設(shè)計(jì)工程師可能希望顯示和分析不在被捕獲的信號組中的信號。較可取的做法是插入遺漏的數(shù)據(jù)，而不傾向于修改設(shè)計(jì)和執(zhí)行新的驗(yàn)證運(yùn)行。因此，可視性增強(qiáng)環(huán)境將通過數(shù)據(jù)擴(kuò)展來填充捕獲數(shù)據(jù)中遺漏的間隙。

特別地，這種數(shù)據(jù)擴(kuò)展可以填充位于信號被捕獲的寄存器之間的組合邏輯區(qū)塊內(nèi)部的信號。為了最大限度地提高性能，只對進(jìn)行試驗(yàn)的邏輯進(jìn)行動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)擴(kuò)展，而不是對所有設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行靜態(tài)的數(shù)據(jù)擴(kuò)展。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境與其可視性增強(qiáng)環(huán)境的對比如表所示。

可視性增強(qiáng)技術(shù)可以極大地加快定位、隔離和了解基于FPGA的原型中的錯(cuò)誤癥狀原因的過程(類似的技術(shù)可以應(yīng)用于基于FPGA的仿真和軟件仿真中)。

在一般的設(shè)計(jì)中，寄存器約占信號的20%。采用可視性增強(qiáng)技術(shù)允許設(shè)計(jì)工程師將這些信號作為確定余下80%信號的值的基礎(chǔ)，這相當(dāng)于可視性提高了大約五倍。而據(jù)使用這種技術(shù)的用戶報(bào)告，調(diào)試時(shí)間減少了四倍。換言之，在不使用可視性增強(qiáng)技術(shù)的情況下調(diào)試所用的每一個(gè)小時(shí)在使用該技術(shù)之后都可以縮短至僅15分鐘。

就未來而言，可視性增強(qiáng)環(huán)境提供的數(shù)據(jù)擴(kuò)展能力為將內(nèi)部FPGA信號數(shù)據(jù)與一般只在軟件仿真環(huán)境下考慮的先進(jìn)調(diào)試技術(shù)搭配使用提供了基礎(chǔ)。例如，如果設(shè)備包含復(fù)雜的內(nèi)部總線，擴(kuò)展的數(shù)據(jù)可能會在事務(wù)級被查看，從而使了解設(shè)備的操作更加容易。在調(diào)試器環(huán)境中謹(jǐn)慎地集成數(shù)據(jù)擴(kuò)展技術(shù)可以同時(shí)縮短驗(yàn)證運(yùn)行時(shí)間和最終的捕獲數(shù)據(jù)文件大小。這種環(huán)境將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化向?qū)д{(diào)試以及先進(jìn)的分析和跟蹤能力。

本文小結(jié)

使用基于FPGA的原型的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是當(dāng)系統(tǒng)未能按期望執(zhí)行時(shí)了解系統(tǒng)的內(nèi)部行為?？梢曅栽鰪?qiáng)驗(yàn)證和調(diào)試環(huán)境通過以下方式解決了這個(gè)問題：幫助選擇要觀察的信號；與其它工具配合工作(和協(xié)商)，從而對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改以捕獲所選的信號；捕獲所有驅(qū)動(dòng)下游工具必需的數(shù)據(jù)和屬性；使用先進(jìn)的技術(shù)在系統(tǒng)、RTL和門級視圖之間自動(dòng)映射；執(zhí)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展以填充未被捕獲的信號的值。