加速FPGA系統(tǒng)實時調(diào)試技術(shù)

摘要：隨著FPGA的設(shè)計速度、尺寸和復雜度明顯增長，在整個設(shè)計流程中的實時驗證和調(diào)試部分成為當前FPGA系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。獲得FPGA內(nèi)部信號有限、FPGA封裝和印刷電路板(PCB)電氣噪聲，這一切使得設(shè)計調(diào)試和檢驗變成設(shè)計周期中最困難的流程。本文重點介紹在調(diào)試FPGA系統(tǒng)時遇到的問題及有助于提高調(diào)試效率的技術(shù)，通過邏輯分析儀配合FPGA View軟件快速有效的觀測FPGA內(nèi)部節(jié)點信號。最后提供了FPGA具體的調(diào)試過程和方法。

引言

隨著FPGA的設(shè)計速度、尺寸和復雜度明顯增長，使得整個設(shè)計流程中的實時驗證和調(diào)試成為當前FPGA系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。獲得FPGA內(nèi)部信號有限、FPGA封裝和印刷電路板(PCB)電氣噪聲，這一切使得設(shè)計調(diào)試和檢驗變成設(shè)計周期中最困難的流程。另一方面，幾乎當前所有的像CPU、DSP、ASIC等高速芯片的總線，除了提供高速并行總線接口外，正迅速向高速串行接口的方向發(fā)展，F(xiàn)PGA也不例外，每一條物理鏈路的速度從600Mbps到高達10Gbps，高速I/O的測試和驗證更成為傳統(tǒng)專注于FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計的設(shè)計人員面臨的巨大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)使設(shè)計人員非常容

易會把絕大部分設(shè)計周期時間放在調(diào)試和檢驗設(shè)計上。

為幫助您完成設(shè)計調(diào)試和檢驗流程，它需要使用新的調(diào)試和測試工具，幫助調(diào)試設(shè)計，同時支持在FPGA上全速運行。

本文重點介紹在調(diào)試FPGA系統(tǒng)時遇到的問題及有助于提高調(diào)試效率的技術(shù)，針對Altera和Xilinx的FPGA調(diào)試提供了最新的方法和工具。

FPGA設(shè)計流程概述

在FPGA系統(tǒng)設(shè)計完成前，有兩個不同的階段：設(shè)計階段，調(diào)試和檢驗階段(參見圖1)。設(shè)計階段的主要任務(wù)是輸入、仿真和實現(xiàn)。調(diào)試和檢驗階段的主要任務(wù)是檢驗設(shè)計，校正發(fā)現(xiàn)的任何錯誤。

[圖示內(nèi)容：]

Simplify, Leonardo Spectrum, Design Compiler FPGA: Simplify, Leonardo Spectrum, 設(shè)計匯編器FPGA

Vendor Specific Tools: 廠商特定工具

Design Phase: 設(shè)計階段

Entry: 輸入

Synthesis: 綜合

Implementation: 實現(xiàn)

Place: 裝配

Route: 布線

Download to FPGA Device: 下載到FPGA器件

Back Annotation: 反向注釋

Debug & Verification Phase: 設(shè)計檢驗階段:

Functional Simulation: 功能仿真

Static Timing Analysis: 靜態(tài)定時分析

Timing Simulation: 定時仿真

In-Circuit Verification: 在線驗證

ILA, SingalTap, Dynamic FPGA Probe, Logic Analyzer: ILA, SingalTapII, 動態(tài)FPGA探頭, 邏輯分析儀

設(shè)計階段

在這一階段不僅要設(shè)計，而且要使用仿真工具開始調(diào)試。實踐證明，正確使用仿真為找到和校正設(shè)計錯誤提供了一條有效的途徑。但是，不應(yīng)依賴仿真作為調(diào)試FPGA設(shè)計的唯一工具。

在設(shè)計階段，還需要提前考慮調(diào)試和檢驗階段，規(guī)劃怎樣在線快速調(diào)試FPGA，這可以定義整體調(diào)試方法，幫助識別要求的任何測試測量工具，確定選擇的調(diào)試方法對電路板設(shè)計帶來的影響。針對可能選用的FPGA存在的高速總線，除了考慮邏輯時序的測試和驗證外，還應(yīng)該充分考慮后面可能面臨的信號完整性測試和分析難題。

調(diào)試和檢驗階段

在調(diào)試階段，必需找到仿真沒有找到的棘手問題。怎樣以省時省力的方式完成這一工作是一個挑戰(zhàn)。

在本文的第一部分，我們將考察怎樣選擇正確的FPGA調(diào)試方法及怎樣有效利用新方法的處理能力，這些新方法可以只使用少量的FPGA針腳查看許多內(nèi)部FPGA信號。如果使用得當，您可以突破最棘手的FPGA調(diào)試問題。

FPGA調(diào)試方法

在設(shè)計階段需要作出的關(guān)鍵選擇是使用哪種FPGA調(diào)試方法。在理想情況下，您希望有一種方法，這種方法可以移植到所有FPGA設(shè)計中，能夠洞察FPGA內(nèi)部運行和系統(tǒng)運行過程，為確定和分析棘手的問題提供相應(yīng)的處理能力。

基本在線FPGA調(diào)試方法有兩種：使用嵌入式邏輯分析儀以及使用外部邏輯分析儀。選擇使用哪種方法取決于項目的調(diào)試需求。

嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核

主要FPGA廠商針對器件的在線調(diào)試都提供了嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核，如ALTERA的SignalTap II和Xilinx的ChipScope ILA。這些知識產(chǎn)權(quán)模塊插入FPGA設(shè)計中，同時提供觸發(fā)功能和存儲功能。它們使用FPGA邏輯資源實現(xiàn)觸發(fā)電路，使用FPGA存儲模塊實現(xiàn)存儲功能。它們使用JTAG配置內(nèi)核操作，并用來把捕獲的數(shù)據(jù)傳送到PC上進行查看。

由于嵌入式邏輯分析儀使用內(nèi)部FPGA資源，因此其通常用于大型FPGA，這些大型FPGA可以更好地消化插入內(nèi)核帶來的開銷。一般來說，用戶希望內(nèi)核占用的FPGA邏輯資源不超過可用資源的5%。

與任何調(diào)試方法一樣，還要知道這種方法存在的部分矛盾。

針腳與內(nèi)部資源

嵌入邏輯分析儀內(nèi)核不使用額外的測試針腳，因為它通過現(xiàn)有的JTAG針腳訪問內(nèi)核。這意味著即使設(shè)計受到FPGA針腳限制，您仍可以使用這種方法。矛盾在于，它使用的內(nèi)部FPGA邏輯資源和存儲模塊可以用來實現(xiàn)設(shè)計。此外，由于使用片內(nèi)內(nèi)存存儲捕獲的數(shù)據(jù)，因此內(nèi)存深度一般相對較淺。

探測與運行模式

嵌入式邏輯分析儀核心的探測非常簡單。它使用現(xiàn)有的JTAG針腳，因此不必擔心怎樣把外部邏輯分析儀連接到系統(tǒng)上。矛盾在于，盡管嵌入式邏輯分析儀可以查看FPGA操作，但沒有一種方式把這些信息與電路板級或系統(tǒng)級信息時間關(guān)聯(lián)起來。而把FPGA內(nèi)部的信號與FPGA外部的信號關(guān)聯(lián)起來對解決最棘手的調(diào)試挑戰(zhàn)至關(guān)重要。在分析方法上，嵌入式邏輯分析儀只能進行狀態(tài)分析。

成本與靈活性

大多數(shù)FP

GA廠商提供了嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核，而其價格要低于全功能外部邏輯分析儀。雖然用戶希望更多的功能，但嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核的功能無論從通用性，分析方式，觸發(fā)能力，還是從存儲和分析能力都弱于全功能外部邏輯分析儀，而用戶通常需要這些功能，來捕獲和分析棘手的調(diào)試挑戰(zhàn)。例如，嵌入式邏輯分析儀只能在狀態(tài)模式下操作，它們捕獲與FPGA設(shè)計中已有的指定時鐘同步的數(shù)據(jù)，因此不能提供精確的信號定時關(guān)系。

外部邏輯分析儀

由于嵌入式邏輯分析儀方法存在的部分限制，許多FPGA設(shè)計人員已經(jīng)采用外部邏輯分析儀方法，來利用FPGA的靈活性和外部邏輯分析儀的處理能力，如泰克TLA系列邏輯分析儀。

在這種方法中，感興趣的內(nèi)部信號路由到FPGA沒有使用的針腳上，然后連接到邏輯分析儀上。這種方法提供了非常深的內(nèi)存，適合調(diào)試那種出現(xiàn)故障和實際導致該故障的原因在時間上相距很遠的問題;對于需要采集大量數(shù)據(jù)進行后期分析的設(shè)計人員也非常必要。另外它還可以把內(nèi)部FPGA信號與電路系統(tǒng)中的其它活動時間關(guān)聯(lián)起來。

與嵌入式邏輯分析儀方法一樣，也需要考慮許多矛盾。

針腳與內(nèi)部資源

外部邏輯分析儀方法采用非常少的邏輯資源，不使用FPGA內(nèi)存資源。它釋放了這些資源，來實現(xiàn)所需功能?，F(xiàn)在的矛盾在于，必需增加專用于調(diào)試的針腳數(shù)量，而很明顯，設(shè)計要使用這些針腳。

探測與工作模式

外部邏輯分析儀探測要比嵌入式邏輯分析儀方法要求的探測復雜一些。必需確定怎樣使用邏輯分析儀探頭探測FPGA內(nèi)部信號，而不能使用電路板上已有的JTAG連接器。最簡便的方式是在電路板中增加一個測試連接器，這可以簡便地把FPGA信號與系統(tǒng)中的其它信號關(guān)聯(lián)起來。

成本與靈活性

盡管外部邏輯分析儀的購買價格確實要高于嵌入式邏輯分析儀，但使用外部邏輯分析儀可以解決更加廣泛的問題。邏輯分析儀不僅可以用于FPGA調(diào)試，還可以用來解決其它數(shù)字設(shè)計挑戰(zhàn)，它被公認為進行通用數(shù)字系統(tǒng)硬件調(diào)試的最佳工具。外部邏輯分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)更加靈活的采集模式和觸發(fā)功能。通過外部邏輯分析儀，可以設(shè)置最多16個不同的觸發(fā)狀態(tài)(每一個狀態(tài)含有16個條件判斷分支)，每一個通道提供256M的內(nèi)存，并且可以在定時分析模式下以高達125 ps的分辨率(8GS/s采樣)捕獲數(shù)據(jù)。

選擇合適的FPGA調(diào)試方法

上述兩種方法都可以使用，采用哪種方法要視具體情況而定。挑戰(zhàn)在于確定哪種方法更適合您的設(shè)計。用戶可以問自己下面的問題：

預計有哪些問題?

如果您認為問題僅限于FPGA內(nèi)部的功能性問題，那么使用嵌入式邏輯分析儀可以提供要求的所有調(diào)試功能。但是，如果預計有更多的調(diào)試問題，要求檢驗定時余量、把內(nèi)部FPGA活動與電路板上的其它活動關(guān)聯(lián)起來、或要求更強大的觸發(fā)功能，那么使用外部邏輯分析儀更適合滿足調(diào)試需求。

當FPGA芯片針腳包含超過200M的高速總線，例如集成內(nèi)存控制器的DDRI、DDRII內(nèi)存總線，以及集成高速SerDes的高速串行I/O總線，信號完整性測試是保證設(shè)計成功的基礎(chǔ)。在本文的后半部分會介紹主流的測試工具和方法。

除狀態(tài)數(shù)據(jù)外，是否需要考察快速定時信息?

外部邏輯分析儀允許以高達125 ps的分辨率(8GS/s采樣)查看FPGA信號詳細的定時關(guān)系，這有助于檢驗設(shè)計中實際發(fā)生的事件，檢驗設(shè)計的定時余量。嵌入式邏輯分析儀只能捕獲與FPGA中已有的指定時鐘同步的數(shù)據(jù)。

需要捕獲多深的數(shù)據(jù)?

外部邏輯分析儀提供的采集內(nèi)存更深。一般在嵌入式邏輯分析儀中，最大取樣深度設(shè)為128 kb，這一數(shù)字受到器件限制。而在外部邏輯分析儀中，可以捕獲最多256Mb樣點。這有助于查看和分析更多的問題及潛在原因，從而縮短調(diào)試時間。

設(shè)計中更多地受限于針腳還是受限于資源?

使用嵌入式邏輯分析儀不要求任何額外的輸出針腳，但必須使用內(nèi)部FPGA資源，實現(xiàn)邏輯分析儀功能。使用外部邏輯分析儀要求使用額外的輸出針腳，但使用內(nèi)部FPGA資源的需求達到最小(或消除了這種需求)。表1匯總了每種方法的相對優(yōu)勢。

FPGAViewTM進行FPGA調(diào)試

FPGAView概述

外部邏輯分析儀方法有效利用FPGA的處理能力，并根據(jù)需要重新對設(shè)備配置，把感興趣的內(nèi)部信號路由到通常很少的針腳上。這是一種非常有用的方法，但它也有一定的局限性：

—— 用戶每次需要查看一套不同的內(nèi)部信號時，都必需改變設(shè)計(在RTL級或使用FPGA編輯器工具)，把希望的信號組路由到調(diào)試針腳上。這不僅耗費時間，而且如果要求重新匯編設(shè)計，那么還會改變設(shè)計的定時，可能會隱藏需要解決的問題。

—— 當更改FPGA內(nèi)部測試信號時，在外部邏輯分析儀上的被測信號名稱需要手工進行更新。

—— 一般來說，調(diào)試針腳數(shù)量很少，內(nèi)部信號與調(diào)試針腳之間1:1的關(guān)系限制著設(shè)計查看能

力和洞察力。

為克服這些局限性，出現(xiàn)了一種新的FPGA調(diào)試方法，它不僅提供了外部邏輯分析儀方法的所有優(yōu)勢，還消除了主要局限性。FPGAView軟件在與泰克TLA系列邏輯分析儀配套使用時，為調(diào)試FPGA和周邊硬件電路提供了一個完整的解決方案(參見圖2)。

這種組合可以：

—— 時間關(guān)聯(lián)的查看FPGA內(nèi)部活動和外部活動。

—— 迅速改變FPGA內(nèi)部探點，而無需重新匯編設(shè)計。

—— 每個針腳監(jiān)測多個內(nèi)部信號。

—— 在TLA邏輯分析儀上自動更新切換的內(nèi)部信號名稱。

此外，F(xiàn)PGAView可以在一臺設(shè)備中處理多個測試內(nèi)核(適合監(jiān)測不同的時鐘域)，并可以在一個JTAG鏈上處理多臺FPGA設(shè)備。

[圖示內(nèi)容：]

PC Board: PCB電路板

Test Mux: 測試復用器

Tektronix Logic Analyzer Probe: 泰克邏輯分析儀探頭

USB Converter: USB轉(zhuǎn)換器

FPGAView™ Software: FPGAView™軟件

快速使用FPGAView

可以通過下面幾個簡單的步驟使用FPGAView：

第1步. 在設(shè)計中配置和插入相應(yīng)的測試內(nèi)核

第2步. 加載測試內(nèi)核信息

第3步. 建立FPGA針腳與TLA邏輯分析儀通道的對應(yīng)關(guān)系

第4步. 進行測量

下面幾節(jié)詳細介紹了每個步驟。

第1步. 插入內(nèi)核

第一步是配置測試內(nèi)核，把它插入到FPGA設(shè)計中。例如，在使用Altera或Xilinx器件時，可以使用FPGA開發(fā)工具提供的邏輯分析儀接口編輯器，創(chuàng)建最適合自己需求的測試核(參見圖3)。

[圖示內(nèi)容：]

Specify number of debug pins: 指定調(diào)試針腳數(shù)量

Specify Number of Banks: 指定需要測試的組數(shù)

Specify Mode: 指定分析模式(定時或狀態(tài))

Specify Clock (if using State Mode): 指定時鐘(如果使用狀態(tài)模式)

Power-Up Mode: 通電模式

對大多數(shù)測試內(nèi)核，可以指定下述參數(shù)：

Pin Count(針腳數(shù)量) ：表示希望專用于邏輯分析儀接口的針腳數(shù)量。

Bank Count(組數(shù)) ：表示希望映射到每個針腳上的內(nèi)部信號數(shù)量。

Output/Capture Mode(輸出/捕獲模式)：選擇希望執(zhí)行的采集類型?？梢赃x擇Combination/Timing(組合邏輯/定時模式) 或Registered/State (寄存器/狀態(tài)模式)。

Clock(時鐘) ：如果用戶選擇了Registered/State(寄存器/狀態(tài))的捕獲模式，這一選項允許選擇測試內(nèi)核的取樣時鐘。

Power-Up State(通電狀態(tài)) ：這個參數(shù)允許指明指定用于邏輯分析儀接口的針腳的通電狀態(tài)。

第2步. 把測試內(nèi)核信息加載到FPGAView中

從FPGAView軟件窗口中，可以與JTAG編程電纜建立連接(參見圖4)，并且連接到TLA系列邏輯分析儀(TLA邏輯分析儀使用WINDOWS平臺)或PC工作站上(參見圖5)。

在使用ALTERA FPGA芯片時，按Open (打開)工具條按鈕，調(diào)出一個文件瀏覽器，選擇Quartus II LAI Editor軟件以前生成的邏輯分析儀接口(.lai)文件。這樣就加載了與LAI核心有關(guān)的所有信息，包括每一組的信號數(shù)量、組數(shù)和信號名稱，另外如果設(shè)備中的LAI內(nèi)核多于一個，那么還包括每個LAI內(nèi)核的信息。

第3步.

把FPGA針腳映射到邏輯分析儀上

下一步是映射FPGA針腳和TLA邏輯分析儀探頭之間的物理連接。FPGAView可以自動更新邏輯分析儀上顯示的信號名稱，與測試內(nèi)核當前監(jiān)測的信號相匹配。

為此，簡單地點擊Probes (探頭)按鈕，將出現(xiàn)一個拖放窗口，把測試內(nèi)核輸出信號名稱與邏輯分析儀上的相應(yīng)通道連接起來(參見圖6)。。對某條目標連接，這個通道分配過程只需一次。

第4步. 進行測量

使用Bank(組)列表下拉菜單，選擇想要測量的組。一旦選擇了組，F(xiàn)PGAView會通過JTAG接口與FPGA通信，并配置測試內(nèi)核，以便選擇希望的組。

FPGAView還將這些通道名稱通過對TLA系列邏輯分析儀的控制進行自動分配，從而可以簡便地理解測量結(jié)果。為測量不同的一套內(nèi)部信號，用戶只需選擇不同的信號組(參見圖7)。全功能TLA系列邏輯分析儀會自動把這些FPGA信號與系統(tǒng)中的其它信號關(guān)聯(lián)起來(參見圖8)。

在TLA邏輯分析儀中，針對設(shè)計人員關(guān)心的各種時間信息，提供了業(yè)內(nèi)獨有的定時參數(shù)自動測量功能，通過鼠標簡單的拖放操作，能夠得到周期、頻率、占空比、脈沖寬度、通道/通

道延遲、邊沿計數(shù)、周期計數(shù)、違規(guī)計數(shù)、周期抖動、以及周期間抖動等信息。

小結(jié)

通過在FPGA系統(tǒng)和設(shè)計與應(yīng)用階段認真考慮調(diào)試需求，可以選擇相應(yīng)的調(diào)試方法，既簡化調(diào)試流程，也有助于節(jié)約時間。嵌入式邏輯分析儀和外部邏輯分析儀這兩種方法各有優(yōu)缺點，但FPGAView等新方法進一步提高了外部邏輯分析儀方法的吸引力。能夠快速方便地移動探點，而不需重新匯編設(shè)計，同時能夠把內(nèi)部FPGA信號活動與電路板級信號關(guān)聯(lián)起來，直接決定著能否滿足產(chǎn)品開發(fā)周期的要求。