簡(jiǎn)述嵌入式邏輯分析儀在FPGA測(cè)試中的應(yīng)用

邏輯分析儀是利用時(shí)鐘從測(cè)試設(shè)備上采集和顯示數(shù)字信號(hào)的儀器，最主要作用在于時(shí)序判定。由于邏輯分析儀不像示波器那樣有許多電壓等級(jí)，通常只顯示兩個(gè)電壓（邏輯1和0），因此設(shè)定了參考電壓后，邏輯分析儀將被測(cè)信號(hào)通過(guò)比較器進(jìn)行判定，高于參考電壓者為High，低于參考電壓者為L(zhǎng)ow，在High與Low之間形成數(shù)字波形。邏輯分析儀與示波器相同，是通過(guò)采集指定的信號(hào)，并通過(guò)圖形化的方式展示給開(kāi)發(fā)人員，開(kāi)發(fā)人員根據(jù)這些圖形化信號(hào)按照協(xié)議分析出是否出錯(cuò)。盡管圖形化的顯示已經(jīng)給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)不少的方便，但是人工將一串串信號(hào)分析出來(lái)不僅麻煩而且極易出錯(cuò)。在這個(gè)科技高速發(fā)展的社會(huì)，一切都在追求高效率。自動(dòng)化、智能化已經(jīng)成為協(xié)議分析的發(fā)展方向。在這個(gè)思想的指引下各種測(cè)試儀器的協(xié)議分析功能出現(xiàn)并發(fā)展起來(lái)。目前大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員通過(guò)邏輯分析儀等測(cè)試工具的協(xié)議分析功能可以很輕松的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、調(diào)試硬件、加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，為高速度、高質(zhì)量完成工程提供保障。邏輯分析儀的工作過(guò)程就是數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、觸發(fā)、顯示的過(guò)程，由于它采用數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，可將數(shù)據(jù)采集工作和顯示工作分開(kāi)進(jìn)行，也可同時(shí)進(jìn)行，必要時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以反復(fù)進(jìn)行顯示，以利于對(duì)問(wèn)題的分析和研究。

ELA的工作原理及特點(diǎn)

一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡(jiǎn)單，如手機(jī)上的一個(gè)微小型的電機(jī)，當(dāng)手機(jī)處于震動(dòng)接收狀態(tài)時(shí)打開(kāi)；也可以很復(fù)雜，如SONY智能機(jī)器狗，上面集成了多個(gè)微小型控制電機(jī)和多種傳感器，從而可以執(zhí)行各種復(fù)雜的動(dòng)作和感受各種狀態(tài)信息。嵌入式邏輯分析儀的組成框圖如圖1所示，主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分由待測(cè)設(shè)計(jì)（DUT）、嵌入到FPGA中的ELA IP核、RAM存儲(chǔ)單元以及JTAG接口組成；軟件部分由用戶設(shè)計(jì)軟件和集成在其中的ELA在線調(diào)試軟件組成。ELA的工作原理為：設(shè)置ELA在線調(diào)試軟件中需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)、觸發(fā)邏輯、采樣深度和時(shí)鐘信號(hào)等各項(xiàng)參數(shù)；把設(shè)置好的ELA文件與用戶設(shè)計(jì)編譯綜合后一起下載到FPGA中；運(yùn)行ELA，如果滿足觸發(fā)條件，ELA就在時(shí)鐘的上升沿對(duì)被測(cè)信號(hào)采樣，并儲(chǔ)存在RAM存儲(chǔ)單元中。


圖1嵌入式邏輯分析儀的組成框圖

嵌入式邏輯分析儀能夠方便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行在線調(diào)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部所存在的問(wèn)題，無(wú)須對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行任何修改就可以得到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)或者I/O引腳的狀態(tài)。例如，SignalTap II支持多達(dá)1024個(gè)通道，采樣深度高達(dá)128Kb，時(shí)鐘支持超過(guò)200MHz，每個(gè)分析儀均有10級(jí)觸發(fā)輸入/輸出，從而增加了采樣的精度。

ELA在FPGA測(cè)試中的應(yīng)用

嵌入式邏輯分析儀在FPGA的測(cè)試中應(yīng)用極為廣泛，能夠?qū)ο到y(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)中所使用的FPGA芯片為Altera公司Cyclone系列中的EP1C12Q240C8，它支持SignalTap II，有12 060個(gè)邏輯單元，存儲(chǔ)位的大小為239 616，能夠較好的支持各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

ELA的應(yīng)用設(shè)計(jì)流程如下。

1 Stp文件的創(chuàng)建

在交通燈控制器的設(shè)計(jì)完成并編譯綜合后，即可創(chuàng)建一個(gè)SignalTap II文件（stp文件）。通常有兩種方式來(lái)建立stp文件，一是直接建立stp文件，并利用SignalTap II Editor配置邏輯分析儀的各項(xiàng)參數(shù)；二是利用MegaWizard Plug-in Manager生成和配置stp文件。如圖2所示。


圖2 Stp文件的載入

2 ELA的設(shè)置

將stp文件加入到設(shè)計(jì)中后，就可以對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，流程如下。

①添加被測(cè)信號(hào)。通過(guò)Node Finder中的SignalTap II Filter查找設(shè)計(jì)中所有預(yù)綜合和布局布線后的信號(hào)，選擇需要觀察的信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中，可以全部選定。

②設(shè)置采樣時(shí)鐘。在設(shè)置采樣時(shí)鐘時(shí)，可以使用其中任何一個(gè)信號(hào)作為采樣時(shí)鐘，但不能用布局布線后的信號(hào)，為獲得更準(zhǔn)確的采樣數(shù)據(jù)，采樣時(shí)鐘應(yīng)選擇全局時(shí)鐘。

③確定采樣深度。SignalTap II的采樣深度最大可達(dá)128Kb.在選擇采樣深度時(shí)，必須考慮到FPGA的內(nèi)存大小，此處選擇1Kb的采樣深度。

④設(shè)置緩沖獲得模式。通過(guò)設(shè)置緩沖獲得模式，用戶可以指定在SignalTap II觸發(fā)前和觸發(fā)后所捕獲的數(shù)據(jù)量，緩沖獲得模式主要有環(huán)形模式和分段緩沖模式。在此選擇環(huán)形模式的預(yù)觸發(fā)位置。

⑤設(shè)置觸發(fā)條件。SignalTap II支持基本觸發(fā)和高級(jí)觸發(fā)的功能。在基本觸發(fā)中，它支持10級(jí)觸發(fā)級(jí)數(shù)，對(duì)于每一級(jí)觸發(fā)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要設(shè)置不同的觸發(fā)電平。

本設(shè)計(jì)對(duì)SignalTap II的設(shè)置如圖3所示，其中采樣深度為1Kb，緩沖獲得模式選擇環(huán)形模式的預(yù)觸發(fā)位置，觸發(fā)條件為基本觸發(fā)；此外，采樣時(shí)鐘選擇為全局時(shí)鐘。這些設(shè)置能夠準(zhǔn)確地對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行在線調(diào)試，有效地監(jiān)測(cè)內(nèi)部信號(hào)。


圖3 SignalTap II設(shè)置窗口

3設(shè)計(jì)下載

當(dāng)設(shè)置完stp文件并編譯綜合后，軟件將ELA IP嵌入設(shè)計(jì)里面，同設(shè)計(jì)一起下載到FPGA中。在器件列表中，邏輯分析儀會(huì)自動(dòng)探測(cè)編程硬件，如果在保存設(shè)計(jì)前已經(jīng)選好了FPGA中所使用的芯片，就會(huì)自動(dòng)給出已經(jīng)選好的器件，若沒(méi)有選擇，則需要在器件列表中選擇。當(dāng)器件連接成功，在SOF（SRAM Object File）管理器中選擇需要下載的SOF文件，單擊下載按鈕即可將設(shè)計(jì)下載到FPGA中，如圖4所示。


圖4設(shè)計(jì)下載窗口

4在線調(diào)試

在線調(diào)試即利用JTAG接口將數(shù)據(jù)上傳到調(diào)試軟件中，根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行的結(jié)果來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試。本設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的功能是在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)決定下一個(gè)時(shí)鐘周期的輸出，即紅燈、綠燈和黃燈的開(kāi)啟。


圖5 SignalTap II數(shù)據(jù)窗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)

設(shè)計(jì)中所得到的波形如圖5所示，從圖5中可以看出，對(duì)于第一組燈，在state.st3時(shí)，黃燈開(kāi)啟，綠燈及紅燈都關(guān)閉，一個(gè)時(shí)鐘周期后，跳轉(zhuǎn)到state.st4，黃燈關(guān)閉，同時(shí)紅燈開(kāi)啟；四個(gè)時(shí)鐘周期后，跳轉(zhuǎn)到state.st0，紅燈關(guān)閉，同時(shí)綠燈開(kāi)啟，黃燈繼續(xù)關(guān)閉；三個(gè)時(shí)鐘周期后，再次跳轉(zhuǎn)到state.st3，黃燈開(kāi)啟，綠燈關(guān)閉；一個(gè)時(shí)鐘周期后，跳轉(zhuǎn)到state.st4，黃燈關(guān)閉，紅燈開(kāi)啟。對(duì)于第二組，其紅綠燈的轉(zhuǎn)換也是一樣的不斷循環(huán)，這樣就實(shí)現(xiàn)了紅綠黃燈的交替變化。

在線調(diào)試得到的波形與交通燈控制器設(shè)計(jì)中所要求的功能完全吻合，在上述調(diào)試過(guò)程中，嵌入式邏輯分析儀對(duì)內(nèi)部的8個(gè)狀態(tài)能夠很好的監(jiān)測(cè)，保證了設(shè)計(jì)的正確。

在調(diào)試過(guò)程中，用戶可以很方便的開(kāi)始或暫停ELA，對(duì)內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行分析。如果需要修改設(shè)置，如采樣深度或觸發(fā)條件，只需停止運(yùn)行ELA，完成修改后重新編譯綜合即可，縮短了調(diào)試時(shí)間。