FPGA測(cè)試解決方案“軟硬兼施”

　　FPGA已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)字化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心，全球90%以上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師正在使用FPGA進(jìn)行著各種各樣的設(shè)計(jì)。FPGA的快速發(fā)展，為測(cè)試廠商帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，針對(duì)FPGA的各種創(chuàng)新測(cè)試技術(shù)和解決方案不斷問(wèn)世。 基于內(nèi)核FPGA調(diào)試方案應(yīng)運(yùn)而生
　　安捷倫公司數(shù)字測(cè)試資深技術(shù)/市場(chǎng)工程師 冀衛(wèi)東　　　　為滿足日益復(fù)雜的數(shù)字化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，F(xiàn)PGA的密度及復(fù)雜性也在急速增長(zhǎng)，越來(lái)越多的系統(tǒng)或子系統(tǒng)功能在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，其先進(jìn)的功能和高集成度使FPGA成為極具吸引力的解決方案，進(jìn)而也使得基于內(nèi)核的FPGA測(cè)試方案浮出水面。 　　仿真不能發(fā)現(xiàn)所有問(wèn)題　　　　雖然FPGA的功能在不斷增加，但芯片的面積卻是有限的，提供的針腳數(shù)量卻沒(méi)有以相同比例提高。由于關(guān)鍵的硬件和軟件的交互工作通常發(fā)生在FPGA的內(nèi)部，使得查看FPGA內(nèi)部信號(hào)的需求不斷提高，而專門為提供這種查看能力可以使用的針腳數(shù)量卻十分有限，這就使得調(diào)試很成問(wèn)題。
　　FPGA廠商都提供了仿真工具，仿真對(duì)于ASIC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)至關(guān)重要。但隨著設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度不斷加深，系統(tǒng)的復(fù)雜性使得系統(tǒng)驗(yàn)證和調(diào)試的時(shí)間在增長(zhǎng)，針對(duì)SoC類型的FPGA設(shè)計(jì)，這個(gè)步驟占整個(gè)設(shè)計(jì)周期的50%，為了保證測(cè)量的置信度，在線幾秒鐘的運(yùn)行操作，可能會(huì)需要設(shè)計(jì)者幾天甚至幾周的仿真。
　　　　仿真能發(fā)現(xiàn)和排除較為明顯的錯(cuò)誤，但不能發(fā)現(xiàn)所有的問(wèn)題，尤其是：難以預(yù)料的邊緣的情況；難以仿真FPGA與系統(tǒng)中的其他部分的相互配合情況；難以仿真布線所造成的對(duì)信號(hào)完整性的影響所導(dǎo)致的錯(cuò)誤；不能仿真異步的事件；難以達(dá)到100%的代碼覆蓋等等，使得FPGA的設(shè)計(jì)者在仿真和系統(tǒng)原型之間徘徊不前，導(dǎo)致研發(fā)進(jìn)度的推遲。 　　基于內(nèi)核的FPGA調(diào)試方案　　　　傳統(tǒng)的FPGA測(cè)試方法是將內(nèi)部被測(cè)節(jié)點(diǎn)連到外部管腳，再通過(guò)邏輯分析探頭連接到外部的邏輯分析儀的對(duì)應(yīng)通道，根據(jù)被測(cè)信號(hào)的管腳位置和名稱對(duì)邏輯分析通道進(jìn)行命名。這種方法可充分利用邏輯分析儀的強(qiáng)大功能。但也存在著局限性，如1對(duì)1的連接和測(cè)量：每個(gè)FPGA調(diào)試管腳對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)部信號(hào)節(jié)點(diǎn)；固定的內(nèi)部信號(hào)節(jié)點(diǎn)，要改變新的測(cè)量節(jié)點(diǎn)，必須重新設(shè)計(jì)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且會(huì)由此改變信號(hào)的原有時(shí)序；每次改變被測(cè)信號(hào)都要停下來(lái)重新連接儀器，重新定義信號(hào)的管腳位置和名稱，這是非常繁瑣的工作。
　　　　FPGA的管腳是寶貴的資源，專用于調(diào)試的管腳通常非常少，一般是幾個(gè)到32個(gè)左右，這個(gè)端口成為路由輸出內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的重要管道。專用于調(diào)試的每個(gè)管腳，只對(duì)應(yīng)內(nèi)部單一的被測(cè)信號(hào)。若要增加或改變被測(cè)的信號(hào)，需要改變?cè)O(shè)計(jì)，重新合成，重新安排管腳的位置，重新布線，不僅會(huì)消耗大量的時(shí)間，還可能會(huì)改變電路的原有時(shí)序。內(nèi)核輔助調(diào)試為實(shí)現(xiàn)迅速而且深入的測(cè)試提供了一種極具吸引力的方法。
　　內(nèi)核輔助調(diào)試通過(guò)為FPGA內(nèi)置用于測(cè)量的電路，以便更好、更迅速地實(shí)現(xiàn)測(cè)量。已經(jīng)有大量的工程師使用了這種方法，他們?cè)谄瑑?nèi)增加自己設(shè)計(jì)的多路復(fù)用器，以便通過(guò)固定數(shù)量的管腳訪問(wèn)更多的FPGA內(nèi)部信號(hào)。相當(dāng)多的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)目前仍在繼續(xù)使用這種方法。盡管這種方法在固定數(shù)量的管腳上提高了信號(hào)的訪問(wèn)能力，但它在協(xié)助設(shè)置外部?jī)x器方面(如示波器或邏輯分析儀)沒(méi)有任何措施。此外，每個(gè)團(tuán)隊(duì)必須設(shè)計(jì)一種方法來(lái)控制這個(gè)多路復(fù)用器，這種額外的設(shè)計(jì)工作不但增加了工作量，而且占用了很多內(nèi)部資源，而這些資源本來(lái)可以更好地用來(lái)設(shè)計(jì)FPGA，而不是用于調(diào)試電路的設(shè)計(jì)。
　　現(xiàn)在，許多FPGA廠商都提供了商用版的用于芯片上調(diào)試的內(nèi)核，從而大大降低了在FPGA內(nèi)生成這些內(nèi)核的工作量，這些內(nèi)核甚至可以在開(kāi)發(fā)流程的后期再增加進(jìn)去。FPGA廠商提供的芯片上調(diào)試內(nèi)核采用JTAG作為通信接口，這種內(nèi)核使用FPGA的內(nèi)部資源，構(gòu)建成內(nèi)置的邏輯分析儀(ILA)，它進(jìn)行FPGA內(nèi)部信號(hào)的測(cè)量，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)器里，通過(guò)JTAG通信接口將數(shù)據(jù)送出到調(diào)試軟件如ChipScopePro或Quartus II等進(jìn)行分析，而不占用任何芯片管腳。
　使用這種調(diào)試內(nèi)核，在設(shè)計(jì)環(huán)境中選擇要測(cè)量的信號(hào)，一般通過(guò)netlist來(lái)實(shí)現(xiàn)。它是在沒(méi)有剩余管腳進(jìn)行調(diào)試的唯一查看方法，測(cè)量數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在寶貴的芯片內(nèi)的存儲(chǔ)器里，且容量受限，為調(diào)試提供的存儲(chǔ)容量限制著測(cè)量的深度。這種內(nèi)核僅提供狀態(tài)分析，不能提供定時(shí)分析。由于設(shè)計(jì)本身在很大程度上占用了芯片內(nèi)部資源和內(nèi)部的存儲(chǔ)器，會(huì)影響FPGA的原有設(shè)計(jì)，若調(diào)試之后去掉這個(gè)內(nèi)核，同樣會(huì)改變內(nèi)部電路的時(shí)序，所以盡管占用內(nèi)部資源，很多工程師完成調(diào)試后，寧愿將其留在FPGA內(nèi)部。 　　軟件仿真和測(cè)試并行不悖
　　NI中國(guó)市場(chǎng)經(jīng)理 朱君　　基于FPGA測(cè)試工具的必要性來(lái)自于整個(gè)行業(yè)的趨勢(shì)：產(chǎn)品自定義的要求越來(lái)越高、上市時(shí)間要越來(lái)越短，同時(shí)還需要不斷在產(chǎn)品中增加新的功能。為了達(dá)到這些要求，工程師身上的壓力也越來(lái)越大，他們需要更快地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品、增加新功能，并要確保產(chǎn)品質(zhì)量。因此我們看到，以軟件為中心的產(chǎn)品正在成為市場(chǎng)主流，比如最新的iPhone。以軟件為中心的產(chǎn)品讓工程師們可以在不需要重新設(shè)計(jì)硬件的情況下增加新的功能，并且提高自定義的可能性。
　　基于FPGA的產(chǎn)品就非常順應(yīng)這一大趨勢(shì)，工程師們不需要重新設(shè)計(jì)硬件，僅在軟件層面上重新編程并再次發(fā)布到目標(biāo)硬件，即可改變硬件特性。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，NI采用的途徑是提供全系列的工具和平臺(tái)來(lái)降低用戶學(xué)習(xí)和使用的復(fù)雜性，也就是說(shuō)用戶只要在NI的平臺(tái)上操作即可充分采用這些商業(yè)技術(shù)，并享受它們帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在NI的產(chǎn)品應(yīng)用于從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、原型到發(fā)布的研發(fā)全過(guò)程。
　　基于FPGA的CompactRIO平臺(tái)是一種為高性能和高可靠性應(yīng)用所專門設(shè)計(jì)的、可重配置的控制和采集系統(tǒng)，該平臺(tái)集成了一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)處理器、高性能的FPGA，并具有多種可熱插拔的工業(yè)I/O模塊及內(nèi)置的信號(hào)調(diào)理功能。每一個(gè)I/O模塊都直接連接到FPGA，提供對(duì)于定時(shí)和I/O信號(hào)處理的底層自定義功能。
　　這一平臺(tái)最大的挑戰(zhàn)在于用戶在使用之前需要掌握專業(yè)的FPGA編程知識(shí)。NI相信隨著FPGA平臺(tái)日益成為行業(yè)的必需，關(guān)鍵問(wèn)題在于要為工程師簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)和使用的復(fù)雜性。NI一直在這方面進(jìn)行大量的工作，用戶通過(guò)NI的軟硬件平臺(tái)，無(wú)須直接掌握FPGA專業(yè)編程技能便可充分利用到FPGA的優(yōu)勢(shì)。
　　EDA工具的軟件仿真和測(cè)試兩者之間并無(wú)沖突。通常在開(kāi)發(fā)周期的前期階段，設(shè)計(jì)和仿真是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。然后這個(gè)周期進(jìn)入原型階段，工程師們需要從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到I/O。通常工程師們面對(duì)的挑戰(zhàn)不同，他們?cè)诓煌A段采用的工具也不同。NI的目標(biāo)一直是通過(guò)提供同一個(gè)平臺(tái)來(lái)彌補(bǔ)以上提到的不同工具間的鴻溝。圖形化編程平臺(tái)LabVIEW本身包括FPGA模塊，可發(fā)布到CompactRIO等原型平臺(tái)上；同時(shí)也可以連接到NI Mulitsim等EDA軟件?！　—?dú)立邏輯分析儀
方案應(yīng)是首選
泰克亞太區(qū)D&M市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理 孫志強(qiáng) 當(dāng)前FPGA的調(diào)試手段主要有：軟件仿真、板級(jí)在線調(diào)試。其中后者又分嵌入式邏輯分析儀方案和外部標(biāo)準(zhǔn)邏輯分析儀方案。
仿真能夠縮短調(diào)試時(shí)間，發(fā)現(xiàn)和排除顯而易見(jiàn)的錯(cuò)誤，但是仿真并不能發(fā)現(xiàn)所有的問(wèn)題。
嵌入式邏輯分析儀方案又受到以下資源的限制：內(nèi)核尺寸限制；不得不使用片內(nèi)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)深度極度受限；僅僅支持狀態(tài)分析方式(同步)，只能同步采樣：采樣率取決于FPGA的特定時(shí)鐘，不能使用更高的定時(shí)采樣頻率，最終得到的時(shí)序精度不高。
因此，在以下情況，我們推薦使用獨(dú)立的邏輯分析儀方案：1.大量的定時(shí)問(wèn)題，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)信號(hào)和外部板級(jí)信號(hào)關(guān)聯(lián)，更強(qiáng)大的觸發(fā)能力。2.需要高分辨率的定時(shí)信息。3.需要捕獲較深的信息儲(chǔ)存。4.引腳考慮。
針對(duì)以高速高性能FPGA應(yīng)用為代表的現(xiàn)代高速串行系統(tǒng)、現(xiàn)代高速數(shù)字系統(tǒng)，泰克公司擁有十分完整的測(cè)試測(cè)量方案，從測(cè)試考慮角度不同，Tektronix的FPGA測(cè)試測(cè)量方案可分三類：
第一類，基于邏輯分析儀的實(shí)時(shí)板級(jí)在線調(diào)試方案。相比較嵌入式的調(diào)試方案，該方案不受FPGA調(diào)試內(nèi)核尺寸、內(nèi)存資源限制；同時(shí)支持同步和異步兩種分析方式；可同時(shí)關(guān)聯(lián)FPGA內(nèi)外信號(hào)，加快分析調(diào)試速度。
第二類，基于高性能示波器的實(shí)時(shí)信號(hào)完整性測(cè)試方案。
實(shí)時(shí)示波器方案：高達(dá)20GHz帶寬、4通道同時(shí)50GS/s采樣率和高達(dá)200M存儲(chǔ)深度的實(shí)時(shí)示波器。
取樣示波器方案：擁有業(yè)界最低噪聲、高達(dá)70GHz以上帶寬電取樣模塊和50GHzTDR模塊。
第三類，基于混合示波器的混合信號(hào)環(huán)境測(cè)試調(diào)試方案。