FPGA調(diào)試技術(shù)加快硅前驗(yàn)證

隨著基于FPGA進(jìn)行原型設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷增加，市場(chǎng)對(duì)更好調(diào)試技術(shù)的需求也日益增加。FPGA原型設(shè)計(jì)可用于驗(yàn)證、早期軟件開發(fā)、概念證明等，因此變得非常重要。它的主要職責(zé)仍然是執(zhí)行這些任務(wù)，而不是試圖找出因原型構(gòu)建錯(cuò)誤而造成的問題。

根據(jù)可用的設(shè)計(jì)或現(xiàn)有任務(wù)類型，可能需要不同的調(diào)試技術(shù)。采用合適的調(diào)試技術(shù)還可以縮短FPGA設(shè)計(jì)的驗(yàn)證周期。

本文描述了有關(guān)FPGA的一些調(diào)試技術(shù)，采用這些技術(shù)可以加快驗(yàn)證過程，文章同時(shí)也指出了它們的局限性。這些調(diào)試技術(shù)可以用于硅前驗(yàn)證過程中所面臨的各種挑戰(zhàn)或問題，后面我們將會(huì)討論。

RTL仿真

在RTL還沒有完全穩(wěn)定時(shí)，原型設(shè)計(jì)的一個(gè)主要需求是訪問和監(jiān)控內(nèi)部信號(hào)的活動(dòng)，這有助于找到造成問題的根源，無論問題是由于原型錯(cuò)誤還是RTL本身的一些異常造成的。

測(cè)試時(shí)，RTL仿真需要在模塊周圍建立一個(gè)完整的原型驗(yàn)證仿真環(huán)境，能夠給予激勵(lì)，滿足內(nèi)存要求(如果有的話)，監(jiān)控設(shè)計(jì)錯(cuò)誤等。

圖1顯示了此類RTL仿真設(shè)計(jì)模型。

圖1：RTL仿真模型

圖字：要求 驗(yàn)證計(jì)劃 原型RTL仿真 原型RTL模型 執(zhí)行板上工作 找到Bug 去除bug執(zhí)行所有工作

假設(shè)/優(yōu)勢(shì)

● 此調(diào)試方法非常適用，而且在處理設(shè)計(jì)規(guī)模問題時(shí)，可以進(jìn)行調(diào)整，目前驗(yàn)證工具可以輕松地處理設(shè)計(jì)規(guī)模問題，但要求仿真時(shí)間不能很長，否則會(huì)使這種工作幾乎沒有ROI(投資回報(bào)率)，而要配備復(fù)雜的測(cè)試臺(tái)。

● 如果是一個(gè)已經(jīng)獲得驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，它能重新使用現(xiàn)有的驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)，這樣就不需要從頭開始構(gòu)建，可以節(jié)省時(shí)間和精力。

● 工作重點(diǎn)應(yīng)該側(cè)重于調(diào)整現(xiàn)有測(cè)試平臺(tái)，以便使其不需要任何大的更改，就能夠運(yùn)行驗(yàn)證測(cè)試套件。

● 可以縮小問題，選擇只運(yùn)行失敗仿真，減少對(duì)仿真的依賴，檢查可能引起問題的信號(hào)的仿真波形。

局限性

● 如果是大規(guī)模設(shè)計(jì)，幾乎不可能查看設(shè)計(jì)中的每個(gè)信號(hào)、監(jiān)控其行為。

● 采用這種方法的一個(gè)前提條件是，驗(yàn)證工程師或軟件工程師應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)和內(nèi)部信號(hào)具有良好的洞察。

● 此方法比較費(fèi)時(shí)，而且需要軟件開發(fā)人員付出額外的努力。

● 在設(shè)計(jì)被分區(qū)的情況下，RTL仿真可能沒有幫助。假設(shè)我們主要試圖“再利用”頂層驗(yàn)證環(huán)境，并使其輕松為“受測(cè)設(shè)備原型”工作，要?jiǎng)?chuàng)建更多的層次和設(shè)計(jì)分區(qū)，則會(huì)需要進(jìn)行額外的工作，以修改安裝在獨(dú)立驗(yàn)證環(huán)境中的內(nèi)部信號(hào)探針。

● 調(diào)試涉及復(fù)雜處理的大規(guī)?？焖倭鬏敵鰯?shù)據(jù)設(shè)計(jì)可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@個(gè)問題可能在設(shè)計(jì)層次的各個(gè)層級(jí)存在。

在復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，必須考慮一些更好、更快的調(diào)試方式，我們將在后面的章節(jié)中討論。

使用邏輯分析儀的硬件調(diào)試

當(dāng)調(diào)試總線位于FPGA的外部引腳上，并通過邏輯分析儀觀察它們時(shí)，硬件調(diào)試涉及內(nèi)部信號(hào)的呈現(xiàn)。這種調(diào)試技術(shù)對(duì)小型邏輯設(shè)計(jì)真的非常有幫助，因?yàn)轵?yàn)證工程師也可以使用邏輯分析儀觀察到內(nèi)部設(shè)計(jì)信號(hào)，從而使調(diào)試更加方便快捷。

圖2顯示了此調(diào)試模型。

圖2：使用邏輯分析儀的硬件調(diào)試

圖字：邏輯分析儀 邏輯設(shè)計(jì)

在這里，可編程的邏輯設(shè)計(jì)在目標(biāo)系統(tǒng)中高速運(yùn)行，可以在真實(shí)環(huán)境下查看邏輯行為。

假設(shè)/優(yōu)勢(shì)

● 如無法利用驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)仿真環(huán)境，可以采用這種方法進(jìn)行調(diào)試，因?yàn)閺念^開始建立驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)的仿真環(huán)境可能既繁瑣又費(fèi)時(shí)。

● 此方法可以加快調(diào)試過程，因?yàn)樗跪?yàn)證工程師能查看內(nèi)部設(shè)計(jì)信號(hào)的活動(dòng)。

● 此方法提供了一個(gè)進(jìn)入運(yùn)行設(shè)備的窗口，不需要執(zhí)行任何額外的軟件任務(wù)。

● 由于所有驗(yàn)證情況都在FPGA板上執(zhí)行，因此這種方法可以用于設(shè)計(jì)，否則一般需要相當(dāng)長的仿真時(shí)間。

局限性

● 設(shè)計(jì)人員需要手工調(diào)試設(shè)計(jì)，每次都需要手工編輯進(jìn)行重復(fù)調(diào)試。調(diào)試需要內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，沒有在設(shè)計(jì)頂層就必須將它們路由到頂層。

● 電路板上的可用引腳數(shù)量制約著探針數(shù)量。

● 此方法需要在邏輯分析儀查看器中輸入信號(hào)名稱，以便跟蹤所顯示的設(shè)計(jì)信號(hào)，因而變得很繁瑣。

● 設(shè)計(jì)中的路由探針可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行或定時(shí)問題。

因此，用邏輯分析儀進(jìn)行調(diào)試會(huì)非常耗時(shí)，喪失活力，不能用于調(diào)試復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

插入板上調(diào)試邏輯

具有復(fù)雜邏輯實(shí)施的設(shè)計(jì)通常需要實(shí)時(shí)調(diào)試功能。這些都是更深入地洞察設(shè)計(jì)所必需的，無需建立復(fù)雜的測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)或?qū)嵤┩獠坑布?/p>

a) 插入調(diào)試邏輯以及基于FPGA的設(shè)計(jì)只需在初始時(shí)付出一些一次性的努力，因而可以節(jié)省調(diào)試時(shí)間和原本很大的精力。這將涉及編寫驅(qū)動(dòng)的綜合邏輯，監(jiān)控可以與設(shè)計(jì)本身集成、并可以移植到FPGA的IP。圖3顯示了使用板上調(diào)試邏輯的調(diào)試模型。

圖3：使用板上邏輯的調(diào)試模型

圖字：AHB，IPS通用界面 驅(qū)動(dòng)IP 測(cè)試中的模塊 監(jiān)控IP

另外，此板上邏輯可以使存儲(chǔ)器映射，以便通過調(diào)試器提取結(jié)果或在運(yùn)行中驅(qū)動(dòng)輸入。

b)可以采用另一種方法讀取調(diào)試信號(hào)--使它們的存儲(chǔ)器映射。然后，可以使用調(diào)試器讀出這些值或通過CPU將這些值與這些信號(hào)的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。如果從設(shè)計(jì)輸出數(shù)據(jù)出現(xiàn)的速度比讀出的速度更快，則可以實(shí)施FIFO。輸入數(shù)據(jù)能以更快的速率存儲(chǔ)，以更低的調(diào)試器時(shí)鐘頻率讀出?？紤]到這兩個(gè)時(shí)鐘的頻率，可以確定FIFO的深度。

假設(shè)/優(yōu)勢(shì)

● 墊或GPIO消除可能因外部連接所引起的問題，因而不需要從外部驅(qū)動(dòng)激勵(lì)。

● 頻率沒有被外部驅(qū)動(dòng)頻率限制。

● 驅(qū)動(dòng)激勵(lì)和監(jiān)控結(jié)果是實(shí)時(shí)的，使調(diào)試速度更快。

● 顯示器完全不需要獲得外部引腳上的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榭梢詮膬?nèi)部檢查它們，使用那些存儲(chǔ)器被映射的寄存器標(biāo)記錯(cuò)誤。

● 不需要位文件生成任何額外的循環(huán)來增加調(diào)試總線信號(hào)。

局限性

● 驅(qū)動(dòng)器和顯示器需要是可綜合的，因此可能無法在驗(yàn)證測(cè)試平臺(tái)重新使用它們。

● 驅(qū)動(dòng)器和顯示器所使用的邏輯可能會(huì)導(dǎo)致過度利用FPGA資源。

● 采用此方法可能出現(xiàn)以下情況：如果其中任何一個(gè)有內(nèi)存要求，而且超過了可用的FPGA資源，就不能實(shí)施驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)視器。

● 添加額外的邏輯(如驅(qū)動(dòng)器或監(jiān)視器)可能導(dǎo)致難以滿足設(shè)計(jì)所需的時(shí)序要求。

實(shí)時(shí)調(diào)試工具

這些調(diào)試工具不需要在板的頂層提取內(nèi)部設(shè)計(jì)信號(hào)，并提供信號(hào)探測(cè)功能，以及實(shí)時(shí)調(diào)試。

在此類別中有多種工具，可用于實(shí)時(shí)調(diào)試設(shè)備。選擇合適工具的最佳方式將取決于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和功能以及所使用的FPGA技術(shù)。這些工具在設(shè)計(jì)中用于插入探針，以便轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并可控制啟動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特定觸發(fā)器。設(shè)計(jì)得到檢測(cè)后，通過綜合、布局、布線在某個(gè)設(shè)備上實(shí)施，這樣，工具提供的GUI界面可以用來檢查結(jié)果。使用這些工具可觀察到設(shè)計(jì)層次中的任何層級(jí)，因而不需要為了在設(shè)計(jì)頂層獲得它們而執(zhí)行額外任務(wù)。

這樣的工具很少利用FPGA自身資源，像板上存儲(chǔ)器，用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，而且它們不需要任何外部硬件。圖4顯示了此調(diào)試方法。

圖4：使用板上資源的調(diào)試工具

圖字：將波形從電路板中倒出，進(jìn)行調(diào)試 信號(hào)探測(cè) 板上存儲(chǔ)器 邏輯設(shè)計(jì)

但這類工具所面臨的問題是：插裝探針后，設(shè)計(jì)在工作頻率和路由擁塞方面會(huì)有不可測(cè)的操作。

當(dāng)然還有一些其他工具，也具有實(shí)時(shí)功能，可靈活配置運(yùn)行觸發(fā)器。這些工具都配有相關(guān)硬件，因而提供必要的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，不使用任何FPGA資源。圖5顯示了這種調(diào)試方法。

圖5：使用外部硬件的調(diào)試工具

圖字：信號(hào)探測(cè) 將波形從電路板中倒出，進(jìn)行調(diào)試 外部硬件(特定工具) 邏輯設(shè)計(jì)

假設(shè)/優(yōu)勢(shì)

● 對(duì)于I/O數(shù)量相對(duì)較大的設(shè)計(jì)可以采用此調(diào)試方法，因?yàn)樗恍枰陔娐钒宓捻攲犹崛?nèi)部信號(hào)。

● 此方法可以用于設(shè)計(jì)仿真良好、但一旦集成到FPGA中、就不顯示預(yù)期行為的情況。同樣，調(diào)試這些問題需要不僅提供實(shí)時(shí)調(diào)試，而且還有信號(hào)探測(cè)功能的工具。

● 這些工具使調(diào)試過程變得相對(duì)容易，因?yàn)樗鼈兺ǔ⒉ㄐ?數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)為使用最常用的仿真工具可以打開的格式。

● 這樣的調(diào)試工具還能儲(chǔ)存在自己的相關(guān)存儲(chǔ)器中捕獲的波形，它消耗FPGA板的資源，因而通常不用限制設(shè)計(jì)。

局限性

● 必需安裝外部硬件和軟件。

● 調(diào)試節(jié)點(diǎn)有數(shù)量限制。

● 設(shè)計(jì)層次的可見性取決于用于儲(chǔ)存轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。

● 可獲得的頻率降低。

解決方法之一是：采用來自一個(gè)特定分層體或模塊的插裝信號(hào)創(chuàng)建同步build，這樣，可以采用調(diào)試模塊或塊的信號(hào)在比特流上運(yùn)行一組測(cè)試。在執(zhí)行階段遇到問題后，這肯定會(huì)節(jié)省創(chuàng)建build的時(shí)間。

本文小結(jié)

很顯然，現(xiàn)在還沒有出現(xiàn)公認(rèn)的通用調(diào)試技術(shù)，而且沒有適合所有設(shè)計(jì)驗(yàn)證的調(diào)試技術(shù)。不同的調(diào)試技術(shù)有不同的局限性和限制，但是，如果選擇得當(dāng)，這些調(diào)試工具/技術(shù)真的可以有助于減少調(diào)試工作，縮短調(diào)試周期。

縮短調(diào)試時(shí)間可能成為加快硅前驗(yàn)證的一個(gè)偉大的里程碑。加快硅前驗(yàn)證是首要要求，這樣才能滿足上市時(shí)間需求，能夠推出第一個(gè)全功能硅。