FPGA也能片上調試嗎？

0.FPGA也能片上調試嗎？

FPGA與STM32等嵌入式開發(fā)最大的一個優(yōu)點就是，可以在時序仿真階段驗證超過90%的功能，發(fā)現(xiàn)90%的問題。當所有的仿真沒問題了，才能進行最后一步：板級調試。如果仿真都不對，那就沒必要下載到芯片里了。

STM32等單片機，使用J-Link或ST-Link等調試器，可以進行在線調試，由于C代碼是順序執(zhí)行的，我們可以插入斷點，讓程序停在我們需要的位置，或者是實時查看一些變量的數(shù)值，大大提高了我們Debug的速度，提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。

對于FPGA來說，仿真畢竟是仿真，可以理解為理想條件，而最終我們的代碼是需要運行在實際的FPGA芯片硬件上的。

所以也會遇到仿真正常，實際下載到板子里不正常的情況。這種現(xiàn)象有兩種原因：1.程序有BUG，2.硬件有問題。比如實際程序中復位信號是低電平復位，而實際電路中設計的復位按鍵按下才是高電平，這樣按鍵未按下就會導致程序一直處于復位狀態(tài)。

當然，這只是一種最簡單的問題點，實際開發(fā)過程中，仿真與實際運行不匹配的情況還有很多。那么如何才能以最快的速度找到問題點呢？

早期的FPGA調試方法通常使用邏輯分析儀，連接到FPGA芯片的外部管腳上，如果想查看內(nèi)部信號，還需要把這些信號定義成Output引出到外部管腳進行了測量，如果是多位數(shù)據(jù)，這樣就會占用大量的管腳，但是此類工具有個優(yōu)點就是支持多種協(xié)議解析，可以非常方便的查看協(xié)議的報文數(shù)據(jù)。

DSLogic IIC解析

如果有一種工具能像單片機開發(fā)那樣，通過調試器JTAG接口實時獲取運行過程中寄存器的數(shù)值就好了。有需求就有市場，F(xiàn)PGA廠商也考慮到了開發(fā)者的這種需求，都在自家產(chǎn)品上加上了這個功能，那就是片上邏輯分析儀，就像在芯片內(nèi)裝了一個邏輯分析儀ELA（Embedded Logic Analyzer），可以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，還可以設置觸發(fā)條件等！

FPGA領域幾大廠家提供嵌入式邏輯分析儀：

• Intel（原Altera）的SignalTap工具
• AMD（原Xilinx）的ChipScope工具
• Microchip（原Microsemi）的Identify工具
• Lattice的Reveal工具

這些工具都是嵌入式邏輯分析儀，大大提高了Debug速度。這類工具的原理通常是以預先設定的時鐘速率實時采樣FPGA的內(nèi)部信號，并暫存于FPGA的內(nèi)部RAM中，當滿足預設的觸發(fā)條件后，通過JTAG將存儲在片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)傳輸至PC上，PC接收到數(shù)據(jù)后，通過上位機把數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來。

以下是使用ChipScope工具抓取的鐵電存儲器FM25V05的SPI寫時序：

FM25V05寫時序

從FPGA學習流程來看，當了解了流水燈、按鍵、UART等基本例程后，再學習I2C，SPI之前，就需要掌握片上邏輯分析儀的使用，非常有利于代碼的調試。

我個人使用過Xilinx和Microsemi的工具，還是挺好用的。

Microsemi的identify使用方法可以到CSDN文章查看：

https://blog.csdn.net/whik1194/article/details/107074187

本文主要介紹Xilinx ISE開發(fā)環(huán)境下ChipScope工具的使用。

1.Xilinx ChipScope簡介

Xilinx的FPGA片內(nèi)邏輯分析儀被稱為ChipScope，通過插入IP核的方式實現(xiàn)，主要包括3大IP核。

• ICON

ICON（integrated controller），主要負責與JTAG口的通訊，最大支持連接15個Core，這里的Core可以是ILA或VIO。

• ILA

ILA（integrated logic analyzer），嵌入式邏輯分析儀，可以抓取內(nèi)部的任何信號，通過設置觸發(fā)條件的方式，抓取一段時間的波形，時間長度取決于FPGA RAM資源大小。

• VIO

VIO（virtual input/output），即輸入輸出，可以實時監(jiān)控FPGA內(nèi)部信號，并提供驅動信號給FPGA模塊，類似于單片機調試中的變量值查看。

• ATC2

ATC2（Agilent trace core），是屬于特殊定制的調試IP核，需要配合新一代的Agilent邏輯分析儀一起使用，這個很少使用。

下面這張圖是來自Xilinx官方文檔：chipscope_pro_sw_cores_ug029.pdf的一張圖片，關于ChipScope官方的使用指南可以查看這篇文檔，介紹了ChipScope工具的整體框圖。

ChipScope系統(tǒng)框圖

既然是邏輯分析儀，就要涉及到邏輯分析儀最重要的兩個參數(shù)：采樣頻率和采樣深度，ILA的采樣頻率取決于輸入時鐘信號的頻率，采樣深度取決于FPGA的RAM大小。

2.示例工程創(chuàng)建

下面以Xilinx Spartan-6 XC6SLX9為例，演示ChipScope的使用，ILA抓取cnt實時數(shù)據(jù)。VIO實現(xiàn)在上位機控制LED亮滅，或選擇閃爍頻率。led1通過VIO來選擇4檔閃爍頻率，led2通過VIO給的觸發(fā)信號上升沿進行翻轉，led3與VIO輸出高低保持一致。

首先創(chuàng)建一個基于XC6SLX9的ISE基本工程，并新建源文件。

以下代碼還未添加ChipScope：

moduletop( //Inputs inputclk,//50MHz inputrst_n, //Outputs outputregled1,//通過VIO來選擇4種閃爍頻率 outputregled2,//通過VIO來控制 outputled3//通過VIO來控制 ); wire[1:0]level;//來自VIO wiretrig;//來自VIO,按鍵產(chǎn)生高脈沖信號 wiretrig_rise=(trig_reg==2'b01); reg[1:0]trig_reg; reg[26:0]cnt;//在ILA中查看數(shù)據(jù)變化 always@(posedgeclk)begin if(!rst_n) trig_reg<='h0; else trig_reg<=?{trig_reg[0],?trig}; end always?@?(posedge?clk)?begin ????if(!rst_n)? ????????cnt?<=?'d0; else cnt<=?cnt?+?1; end always@(posedgeclk)begin if(!rst_n) led1<='d0; elsebegin //level來自VIO case(level) 0:led1<=?cnt[26]; ????????????1:??led1?<=?cnt[25]; ????????????2:??led1?<=?cnt[24]; ????????????3:??led1?<=?cnt[23]; ????????endcase ????end end always?@?(posedge?clk)?begin ????if(!rst_n) ????????led2?<=?0; ????else?if(trig_rise)??????//trig上升沿翻轉 ????????led2?<=?!led2; end endmodule

3.添加ChipScope ICON IP核

添加一個IP核源文件，保存在chipscope文件夾下。

添加ICON

選擇ICON IP核，以下添加VIO和ILA核是一樣的操作。

選擇ICON

添加之后進入配置界面，因為我們連接了ILA和VIO兩個IP核，這里控制端口需要兩個：

配置端口

查看例化模板：

iconYourInstanceName( .CONTROL0(CONTROL0),//INOUTBUS[35:0] .CONTROL1(CONTROL1)//INOUTBUS[35:0] );

4.添加ChipScope ILA IP核

添加ILA

選擇采樣深度，數(shù)值越大，占用FPGA RAM資源越多，采樣時間越長。

設置采樣深度

選擇采集通道，這里選擇32個通道。

選擇觸發(fā)通道

等待生成完成，查看例化模板：

ilaYourInstanceName( .CONTROL(CONTROL),//INOUTBUS[35:0] .CLK(CLK),//IN .TRIG0(TRIG0)//INBUS[31:0] );

5.添加ChipScope VIO IP核

同樣的方式添加VIO核：

添加VIO

選擇32路輸入，用于監(jiān)測cnt的值，4路輸出，用于控制LED。

配置輸入輸出通道

設置為異步輸入32位，輸出4位。

6.將ChipScope的3個IP核添加到頂層模塊

moduletop( //Inputs inputclk,//50MHz inputrst_n, //Outputs outputregled1,//通過VIO來選擇4種閃爍頻率 outputregled2,//通過VIO來控制 outputled3//通過VIO來控制 ); wire[1:0]level;//來自VIO wiretrig;//來自VIO,按鍵產(chǎn)生高脈沖信號 wiretrig_rise=(trig_reg==2'b01); reg[1:0]trig_reg; reg[26:0]cnt;//在ILA中查看數(shù)據(jù)變化 always@(posedgeclk)begin if(!rst_n) trig_reg<='h0; else trig_reg<=?{trig_reg[0],?trig}; end always?@?(posedge?clk)?begin ????if(!rst_n)? ????????cnt?<=?'d0; else cnt<=?cnt?+?1; end always@(posedgeclk)begin if(!rst_n) led1<='d0; elsebegin //level來自VIO case(level) 0:led1<=?cnt[26]; ????????????1:??led1?<=?cnt[25]; ????????????2:??led1?<=?cnt[24]; ????????????3:??led1?<=?cnt[23]; ????????endcase ????end end always?@?(posedge?clk)?begin ????if(!rst_n) ????????led2?<=?0; ????else?if(trig_rise)??????//trig上升沿翻轉 ????????led2?<=?!led2; end /*?Xilinx?ChipScope?Config?*/ wire?[35:0]?CONTROL0; wire?[35:0]?CONTROL1; wire?[31:0]?TRIG0; wire?[31:0]?ASYNC_IN; wire?[3:0]?ASYNC_OUT; assign?ASYNC_IN[26:0]?=?cnt[26:0]; assign?level?=?ASYNC_OUT[1:0]; assign?trig??=?ASYNC_OUT[2]; assign?led3??=?ASYNC_OUT[3]; assign?TRIG0[26:0]?=?cnt[26:0]; assign?TRIG0[28:27]?=?level[1:0]; assign?TRIG0[29]?=?led1; assign?TRIG0[30]?=?led2; assign?TRIG0[31]?=?led3; icon?icon_ut0( ????.CONTROL0(CONTROL0[35:0]), ????.CONTROL1(CONTROL1[35:0]) ); ila?ila_ut0( ????.CONTROL(CONTROL0[35:0]),? ????.CLK(clk),? ????.TRIG0(TRIG0[31:0]) ); vio?vio_ut0( ????.CONTROL(CONTROL1[35:0]), ????.ASYNC_IN(ASYNC_IN[31:0]), ????.ASYNC_OUT(ASYNC_OUT[3:0]) ); endmodule

7.編譯下載

管腳分配，編譯通過，生成bit文件，打開ChipScope，下載bit文件。

ChipScope

下載Bit文件

選擇bit文件

對信號進行重新命名，設置觸發(fā)信號，或者控制VIO輸出狀態(tài)。

設置觸發(fā)方式

trig設置成PushButton類型，并設置為高脈沖。

led3設置成ToggleButton類型，即按一下狀態(tài)翻轉一次。

VIO配置

8.總結

單片機在線調試可以設置斷點，讓程序停下，F(xiàn)PGA只要時鐘信號存在，就會一直運行下去，所以無法人為的設置斷點，中止代碼的運行。

任何事物都不可能達到十全十美，使用管腳外接的邏輯分析儀不會占用任何的邏輯資源，可以通過邏輯分析儀解析協(xié)議的報文，缺點是不能查看內(nèi)部信號；使用片內(nèi)邏輯分析儀的優(yōu)點是可以實時查看內(nèi)部信號，設置觸發(fā)條件，缺點是會占用FPGA的邏輯資源，比如RAM等。

Xilinx新一代的集成開發(fā)工具Vivado最低支持Spartan-7系列的FPGA芯片，由于手頭只有Spartan-6系列的開發(fā)板，所以無法演示在Vivado環(huán)境下的ChipScope使用，基本上都大同小異，使用方法類似，畢竟是同一家的調試工具。

9.參考資料

Xilinx官方文檔：chipscope_pro_sw_cores_ug029.pdf

審核編輯 ：李倩