對于FPGA調試，主要以Intel FPGA為例，在win10 Quartus ii 17.0環境下進行仿真和調試，開發板類型EP4CE15F17。主要包括一下幾個部分：

- FPGA的調試-虛擬JTAG（Virtual JTAG）
- FPGA的調試-在線存儲器內容編輯工具(In-system Memory Content Editor)
- FPGA的調試-內嵌邏輯分析儀(SignalTap)
- FPGA的調試-LogicLock
- FPGA的調試-調試設計的指導原則

1、相關理論知識

1.1內嵌邏輯分析儀

為方便用戶進行調試，FPGA通常會內置信號觀察邏輯，Altera提供的是SignalTap，而xilinx提供的則是ChipScope。此外還有第三方調試工具，如Synopsys的Identify。這類工具的核心原理為：以預先設定的時鐘速率實時采樣FPGA的內部信號或者引腳狀態，并存儲于FPGA的內部RAM中，然后通過統一的ELA（Embedded Logic Analyzer）進行數據分析和管理。當預設的觸發條件滿足后，ELA通過JTAG將存儲在片內RAM中的數據緩存數據傳輸至PC上。當PC獲得JTAG回傳數據后，通過本地計算將對應的邏輯分析結果展現出來。


因此，無論是GignalTap還是ChipScope，其實都是在工程中額外加一些特殊模塊實現信號的采集，所付出的代價包括：邏輯單元、內部RAM以及ELA資源。邏輯分析儀的數據捕獲原理如圖2-53所示，所有存儲單元都是與當前邏輯設計的RAM共享的。如果當前邏輯占用RAM較大，內嵌的邏輯分析儀功能將會有非常大的存儲深度限制。



從圖2-53很容易發現，邏輯觸發的時刻可以動態調整，而且存儲的數據長度與時間也很容易調整。此外由于FPGA內置可編程能力，所以觸發條件可以依賴于其他的事件觸發，這樣可以多級觸發，形成基于狀態的數據捕獲。

例如當A信號為高電平，且持續32周期后，如果此時B信號為低電平且C信號有一個低脈沖，則觸發一個等待事件；當等待事件發生65536個時鐘周期后，再捕獲數據，并通過邏輯分析儀發送出來。這就是基于狀態機觸發的邏輯分析功能，類似于Verilog中的Assertion斷言和FSM狀態機的有機結合體，是傳統邏輯分析儀無法完成的。由于現在的邏輯通常都比較復雜，基于傳統的條件觸發模式，往往耗時耗力，很難快速找到BUG；而狀態觸發往往能夠幫助設計者快速定位錯誤并調試。

對于邏輯分析儀而言，除了觸發條件外，還有一個存儲位置的概念。正常情況下，FPGA會對需要CIA楊的數據一直采樣，當數據放滿后，將采用循環覆蓋的方式存儲，這類似于FIFO中的卷繞（WRAP）概念。當觸發器觸發后，通常緩沖器都是滿的；如果采用預觸發，將繼續記錄當前存儲容量12%的數據后停止（有些廠商是不再記錄，直接用當前記錄數據）；如果采用后觸發，將繼續記錄當前存儲容量的88%的數據后，停止記錄（有些廠商是記錄全部容量）；如果是中間觸發，將繼續記錄當前存儲容量的1/2的數據。實際上什么時候開始記錄，什么時候停止都可以通過狀態觸發實現。捕獲數據的概念示意圖如圖2-54所示。



下面通過SignalTAP為例，簡單講述內嵌邏輯分析儀的調試技巧。

1.2 SignalTap

SignalTAP是Altera內置的邏輯信號觀測工具，內部實現結構如圖所示。



根據前面的邏輯分析儀原理，很容易得知FPGA可以實現多個并行的ELA。通過FSM和條件判斷支持多級觸發，FPGA也能夠支持復雜的狀態機數據捕獲。令觸發條件加上一個計數器，就很容易使FPGA能在不同的起始時刻捕獲數據。而Altera所設計的SignalTAP正好是按照上訴方式設計的，其特點如下：

最大支持1024個數據捕獲通道

單個器件支持多個并發的邏輯分析模塊，包括跨多個時鐘域的信號

每個數據捕獲通道能夠支持10級觸發

支持在不同的位置進行捕獲，包括信號前段、中段和后段。

SignalTAP的捕獲流程如圖所示。

1.2.1 SignalTap的界面

操作界面如圖所示。



1.2.2 SignalTap的演示

演示放在實例里

1.2.3 SignalTap的基本觸發模式

當啟動邏輯分析儀后，SignalTAP會對被監視的信號進行不斷的采樣，一直到某個條件滿足后停止，這個條件就是觸發條件。在基本模式下，觸發條件被設定為當前信號的邏輯組合。當邏輯組合滿足某個值后，觸發條件將被滿足，數據將被采樣保存并上傳到PC。

下圖是SignalTAP的基本觸發模式示意圖。



1.2.4 SignalTap的Advanced Trigger模式

在信號列表Trigger Conditions欄的頂端選擇Advanced，Advanced會彈出邏輯編輯器，在這里可以設計一個復雜的觸發表達式。

1.2.5 SignalTap基于狀態觸發的觸發模式

基于狀態觸發的邏輯分析儀模式是FPGA內嵌分析儀的而核心技術，主要技巧在于任何通過狀態觸發語句實現狀態機的觸發。下圖是狀態機觸發的工作界面。



在設定觸發條件前，先需要確定基本的觸發條件，具體如圖所示。



在設定基本觸發條件后，就可以啟動狀態機的腳本設計，下面通過幾個例子來說明狀態機觸發的實現方法：

1）當條件condition1不滿足，且持續時間超過5個時鐘周期后，觸發觸發器，相關理想波形如圖所示：



對應的狀態機觸發代碼如下：



2）當條件condition1不滿足情況發生，且不滿足情況在不超過5個時鐘周期內，又發生條件condition1滿足的情況，則觸發觸發器，否則停止觸發。一個典型的例子圖下圖所示。



上訴觸發觸發器的腳本如下：



3）當condition條件滿足5次后，觸發觸發器，否則停止觸發。該例子的腳本如下：



4）當condition1條件滿足后，如果condition2能夠滿足，則立即觸發觸發器，否則停止觸發。該例子的腳本如下：



5）當condition1條件滿足后，如果5個采樣時鐘周期內，condition2能夠滿足，則立即觸發觸發器，否則停止觸發。該例子的腳本如下：

由于任何復雜的條件都可以簡化為順序、分支和循環3種情況，通過計數器能夠實現循環，通過條件判斷可實現分支，而通過狀態機可實現流程控制。因此任意復雜的條件觸發，都能夠通過上訴條件組合捕獲。

前面所舉的5個例子，就是上訴不同場景的組合，因此讀者只需要將上訴5個例子進行組合就能基本掌握觸發條件的實現，熟練進行FPGA調試。

2、簡單實例

2.1 新建工程

首先新建一個工程，然后添加文件，文件內容如下：

module test ( input CLOCK, RESET, output [7:0]oData );

 reg [7:0]C1;

always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
if( !RESET )
C1 <= 8'd0;
else if( C1 == 32 -1 )
C1 <= 8'd0;
else
C1 <= C1 + 1'b1;

assign oData = C1;

endmodule

邏輯非常簡單，其中，CLOCK是時鐘引腳，RESET是復位引腳，這只模塊的功能就是不斷重復計數，然后將計數

內容經由 Data 輸出。接下來綜合，分配引腳后就可以設置SigalTAP了。

1.2 配置SignalTapII Logic Analyzer

如圖所示，點擊 Tool 菜單，然后選擇 SignalTapII Logic Analyzer 便可啟動該工具。



下圖是 Signal Tap 的窗口，其中 4 處高亮的地方是比較重要的界面。

（一）JTAG Chain Configuration，JTAG 界面，主要是設置 USB Blaster。

（二）Instance Manager，調試界面，主要是啟動，連續，結束等調試的活動。

（三）Signal Configuration，信號界面，主要是儲存，觸發等設置。

（四）Data，顯示界面，主要是顯示采集結果，時序活動。

（五）Setup，設置界面，主要是添加節點，設置觸發事件/條件等。



① JTAG 界面 - 配置 JTAG 以及下載對象

如圖所以，設備一旦上電，并且 USB Blaster 鏈接成功，那么 JTAG 界面就會進入緒狀態。

如圖 所示，SOF Manager 是小型下載管理器，讀者也可以經由一般的下載管理器完成下載工作，不過一切下載活動必須在配置結束以后才執行（綜合成功并且下載）。

② 信號界面 - 配置采集時鐘，儲存，觸發：

一旦 JTAG 就緒以后，我們就可以開始執行信號相關的配置。如圖 3.6 所示，默認下的信號界面都是這個樣子，其中：



? Clock 是采集時鐘
? Sample depth 是儲存/采集深度
? RAM Type 是儲存資源
? Storage Qualifier - type 是儲存方式

首先，讓我們設置采集時鐘，所以請點擊 Clock 選項右邊的 < … >，完后會彈出節點界面。



圖中 是節點界面，這點它和 Time Quest 非常相似：

① 請讀者保持 Named：* 不變的情況下，
② Filter 選擇為 ，
③ 注意 Look in 指向頂層模塊 ，
④ 然后點擊右上角的 < List >。

如下圖 所示，這是添加節點（采集時鐘）的步驟：

① 點擊 列出所有 demo 模塊相關的端口。
② 諸多端口之中，節點 CLOCK 將成為采集時鐘，然后點擊它。
③ 點擊 > 將該節點添加到右邊。
④ 點擊 < OK > 生效設置。



如下圖所示，采集時鐘設置完畢以后，Clock 右邊的文本框就會出現 CLOCK 的字眼。



如下圖 所示，一般上儲存相關的配置都會這樣設定：

① Sample depth 儲存深度按照感覺設置，這里是 256。
② RAM type 儲存資源，有 Auto 就設置，非常省事，不然就是 M4K/M9K，還是 Logic。
③ Storage qualifier - type 儲存方式選擇 Continuous 連續性即可。

讀者可能無法相信，高達 8 成的調試工作都是按照這樣的設定與配置。



如圖 3.11 所示，一般上觸發相關的配置都是這樣設定：



① Trigger flow control，觸發條件流程，這里選擇 Sequential 順序性即可。
② Trigger position，觸發位置，這里選擇 Pre trigger position 即可。
③ Trigger conditions，觸發條件數，這里選擇一個即可。

同樣，讀者可能也無法相信，高達 8 成的調式工作也是按照這樣的觸發配置。到目前為止，信號界面的配置工作總算告一段落。

③ 配置界面 - 添加采集對象：
如圖 3.12 所示，配置界面就是添加節點（采集對象）的地方，默認下它是空空如也，我們必須自行添加對象才行。
① < 右鍵 > 調出菜單，
② 點擊 < Add Nodes … > 添加節點。

完成上面兩個步驟以后，它就會跳出節點界面。



如上圖所示，同樣的節點界面再次出現：

① 請保持 Named:* 不變，
② Filter 設為 < Pins: all >，
③ Look in 設為 頂層模塊，
④ 點擊 列出，demo 模塊所有相關的端口。



如上圖 所示，假設 oData 是采集對象：

① 點擊 列出頂層模塊 demo 的所有端口，
② 選擇 oData，
③ 點擊 > 將節點添加到右邊去，
④ 點擊 生效配置。

如下圖所示，如果一切無誤的話，那么節點（采集對象）oData 就會出現在配置界面之中。完后，我們可以開始配置觸發事件。



④ 觸發事件：



如上圖所示，筆者曾在前面說過觸發事件可以是單一或者復數，其中 Basic AND 與Basic OR 就是用來表達復數觸發事件的關系。我們以同樣的例子作為解釋 …



如上圖所示，假設信號 A 的下降沿是事件 1，信號 B 的低電平是事件 2，那么 Baisc AND的邏輯關系造成兩者在成立的情況下才執行采集。反之，Basic OR 的邏輯關系造成，任一事件成立都會執行采集。在此，筆者選擇 Basic AND 就好了 …



言歸正題。筆者也說過，Signal Tap 有預設觸發事件以及高級觸發事件，后者必須將觸發事件設為 Advance 才行，反之預設觸發事件可以：

① 觸發事件表框之處 <右鍵>，
② 選擇 。

默認下，Signal Tap 自帶 7 個預設觸發事件，在此筆者選擇數值的觸發事件，隨后會彈出相關的窗口。



如上圖所示，這是配置數值觸發事件的窗口：
① 選擇格式，這里是 < Unsigned Decimal >，無符號位的十進制，
② 輸入數值，這里是 5，
③ 點擊 生效配置。



上圖 是觸發事件配置完畢的情況，其中 oData 為 5 執行采集。到目前為止，配置工作已經是完成八九十，余下再綜合一起便可下載至設備，期間系統可能要求保存一切配置，例如 stp1.stp 什么的，讀者可以保存在任一的地方。



如圖一切無誤的話，那么實驗三層次關系與文件關系的結果如上圖 所示，其中 sld_×× 就是 Signal Tap 模塊的實例化，讀者也可以認為那是調試模塊（環境）。

⑤ 采集界面：



如圖 3.22 所示，程序下載以后，如果環境創建失敗的話，那么它會呈現紅色（左圖）。反之，如果環境創建成功，那么它會打印 Ready to acquire 的字眼。一般上，調試環境創建失敗有幾個原因：

JTAG 未就緒

程序下載失敗

綜合結果過期

設備未上電

以上 4 個原因排除以后，調試工作就處于就緒狀態。



如圖 3.23 所示，采集界面主要有 4 個選項控制整個采集過程。

① Run Analysis 手動執行，觸發事件誘發采集，達到采集次數自動停止。
② Auto Analysis 自動執行，無視觸發事件，采集次數，采集一切。
③ Stop，停止執行，停止采集。
④ Read Data，讀取數據，讀取緩沖空間的內容。

一般上，如果觸發事件配置無誤的話，我們只要按下手動執行，那么觸發事件會誘發采集，當采集達到某個次數以后（根據儲存深度），采集過程就會結束。讀者沒有看錯，采集界面只有 4 個選項而已，其中手動執行最為有用，因為其它選項只有在采集失敗的情況下（觸發事件未達成）才會派上用場，真是諷刺。例如，停止執行要么強制停止失控的采集現場，要么配合自動執行一起使用。換之，讀取數據也是在采集失控的情況下，強制從設備中（緩沖空間）讀取數據。好了，我們稍微點擊一下手動執行，然后悄悄采集結果。



根據 demo 模塊，我們知道它重復計數 0~31。如圖 3.24 所示，T0 表示觸發事件的達成之際也是采集工作的開始，其中未來值 5 就是觸發事件的達成條件 … 簡單的調試工作也到此結束。

3 （補充）Signal Tap 標準調試流程

如圖 3.25 所示，雖說這是是官方指定的標準流程，不過筆者還是建議看看就好，千萬不要太認真，迷信“標準”這種東西很容易害死人。圖 3.25 有一處值得說明的地方是，觸發事件發生失敗的時候，如果跟著流程游蕩，它會要求手動停止分析，如果 Signal Tap顯示結果就進行分析，反之就是從設備哪里強制讀取結果。



最后，好事的筆者也為實驗三的配置過程繪出一副流程圖，結果如圖 3.26 所示，讀者自己看著辦。


4 （補充）添加節點

筆者相信許多第一次接觸的同學都會畏懼節點的過濾選項。如圖 3.27 所示，不甘寂寞的官方為我們準備那么多選項，多少有些弄巧成拙的感覺，有關過濾選項基本上可以分為兩大類以致縮小范圍。其一是 Pin 端口類，其二就是 Reg 寄存器類，筆者喜歡的選項卻只有 Pins:all 以及 Register : pre-synthesis 兩個而已。



顧名思義 Pins:all 就是所有端口的意思，如果 Look in 指向模塊 A，那么模塊 A 的端口就會顯示出來（不管有沒有賦值驅動）。反之，Register:pre-synthesis 就是綜合以后的寄存器，如果 Look in 指向模塊 B，那么模塊 B 的所有寄存器都會暴露出來。除此之外，發狂的筆者偶爾不顧其它直接選擇 Design Entry，即不管什么鬼東西統統都給老子舉例出來 …

審核編輯：劉清