FPGA系統(tǒng)內(nèi)部邏輯在線測試技術(shù)研究

　　1 引言

　　隨著FPGA向低成本、低功耗、高性能方向發(fā)展，其I／O引腳大多采用微間距TOFP或BGA封裝工藝，因而使引出多種內(nèi)部信號的I／O引腳以及FPGA的驗(yàn)證工作變得非常困難，同時(shí)FPGA的驗(yàn)證和調(diào)試耗時(shí)占總開發(fā)時(shí)間的50％以上。

　　在驗(yàn)證和調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，傳統(tǒng)上是把信號線引到I／O引腳，然后采用示波器、邏輯分析儀或總線分析儀進(jìn)行測量和分析。由于這些設(shè)備相當(dāng)昂貴，而且調(diào)試時(shí)又需要許多連線夾，因此一不小心就會(huì)燒壞器件或電路板。

　　伴隨著EDA 工具的快速發(fā)展，Altera公司在QuartusⅡ軟件中開發(fā)出一種嵌入式調(diào)試工具SignalTapⅡ，它是基于邏輯分析核的嵌入式邏輯分析儀，不僅具備普通邏輯分析儀的觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能，還可訪問FPGA器件內(nèi)部的所有信號和節(jié)點(diǎn)，除Altera公司開發(fā)的這種嵌入式邏輯分析儀外，其他主流FPGA公司，如 Xilinx、Lattice、Actel等也有相似技術(shù)，其中最具代表性的是Xilinx公司的ChipScope Pro工具，它是專為Xilinx FPGA系統(tǒng)內(nèi)的凋試而設(shè)計(jì)的。Chip-Scope Pro核心集成在FPGA中，支持所有XiLinx FPGA系列，并通過標(biāo)準(zhǔn)的JTAG端口提供實(shí)時(shí)的調(diào)試和驗(yàn)證能力。

　　2 SignalTap II原理

　　SignalTap II嵌入邏輯分析儀是專門用于Quartus II設(shè)計(jì)軟件中的第二代系統(tǒng)級調(diào)試工具。對于嵌人式邏輯分析儀內(nèi)核(知識產(chǎn)權(quán)IP核)插入FPGA的設(shè)計(jì)，同時(shí)提供觸發(fā)功能和存儲(chǔ)功能。在FPGA運(yùn)行過程中，滿足觸發(fā)條件時(shí)SignalTaPⅡ?qū)?dòng)采樣并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)不斷刷新片內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)容。SignalTapⅡ通過下載線ByteBlasterⅡ，將捕獲到的信號數(shù)據(jù)從器件的RAM資源載至QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境，以實(shí)時(shí)顯示波形。這樣就能使開發(fā)者在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，以系統(tǒng)級的速度來觀察硬件和軟件的交互作用。

　　目前，SignalTapⅡ邏輯分析儀可以支持的器件系列有：Cyclone、CycloneⅡ、Cyclone Ⅲ、APEXTⅡ、APEX 20KE、APEX20KC、APEX20K、Excalibur、Mercury、Stratix GX、Stratix、StratixⅡ、Stratix Ⅲ等。

　　3 SignalTapⅡ使用方法

　　使用SignalTapⅡ的一般程序是：設(shè)計(jì)人員在完成設(shè)計(jì)并編譯工程后，建立SignalTap Ⅱ(.stp)文件，并加入工程、配置STP文件、編譯并下載沒計(jì)到FPGA、在Quartus Ⅱ軟件中顯示被測信號的仿真波形。

　　設(shè)置SignalTapⅡ文件的基本流程如下：

　　(1)設(shè)置采樣時(shí)鐘。決定了顯示信號波形的分辨率，根據(jù)Altera公司的建議最好使用全局時(shí)鐘，而非門控時(shí)鐘，否則會(huì)使采樣時(shí)鐘處于不能準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

　　(2)配置采樣深度，確定RAM的大小。用戶可指定要觀測數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度。

　　(3)設(shè)置buffer acquisition mode。包括循環(huán)采樣存儲(chǔ)和連續(xù)采樣存儲(chǔ)兩種模式。圖1給出STP參數(shù)配置過程。

　　(4)觸發(fā)級別。SignalTapⅡ是支持多觸發(fā)級的觸發(fā)方式，最多可支持10級觸發(fā)。在多級觸發(fā)中，SignalTapⅡ首先對第一級觸發(fā)模式進(jìn)行觸發(fā)；當(dāng)?shù)谝患売|發(fā)表達(dá)式滿足條件，測試結(jié)果為TRUE時(shí)，SignalTapⅡ?qū)Φ诙売|發(fā)表達(dá)式進(jìn)行測試；依次類推，直到所有觸發(fā)級均完成測試，并且最后一級觸發(fā)條件為TRUE時(shí)，SignalTapⅡ開始捕捉信號狀態(tài)。

　　(5)觸發(fā)條件?？梢栽O(shè)定復(fù)雜的觸發(fā)條件用以捕獲相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以協(xié)助調(diào)試設(shè)計(jì)。當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)，在SignalTapⅡ時(shí)鐘的上升沿采樣被測信號。

　　(6)設(shè)置被測信號。在SignalTapⅡ邏輯分析儀窗口，雙擊鼠標(biāo)左鍵，彈出的Node Finder對話框，在filter中選擇要加人STP文件的節(jié)點(diǎn)或總線。圖2所示給出了待測信號及觸發(fā)設(shè)置。

　　完成STP設(shè)置后，加載SAM對象文件(.sof)，在Device列表中選擇目標(biāo)器件，點(diǎn)擊Program Device圖標(biāo)進(jìn)行器件編程，點(diǎn)擊Run Analysis進(jìn)行采集、分析數(shù)據(jù)，如圖3所示。

　　4 實(shí)例分析

　　現(xiàn)以FT245BM型USB與EP2C8 0208C8N型FPGA間的簡單通信為實(shí)例，具體說明如何采用SignalTapⅡ驗(yàn)證FPGA的設(shè)計(jì)。其頂層設(shè)計(jì)文件如圖4所示。

　　FT245BM是FTDI(Future Technology Devices IntlLtd)公司的一種快速USB通信接口。它無需編寫片內(nèi)固件程序。FTDI公司提供D2XX官方驅(qū)動(dòng)程序，使用D2XX驅(qū)動(dòng)程序能獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸性能，且傳輸速率最大可達(dá)1 MB／s。

　　FT245BM的主要功能是在內(nèi)部硬件邏輯的作用下實(shí)現(xiàn)USB串行數(shù)據(jù)格式與并行數(shù)據(jù)格式的雙向轉(zhuǎn)換。PC機(jī)通過USB接口與FT245BM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)T245BM通過并行方式與下位微控制器通信。利用單芯片實(shí)現(xiàn)USB與并行FIFO緩沖區(qū)的雙向數(shù)據(jù)傳輸；通過簡單的四線握手信號與FPGA等邏輯器件接口；FT245BM通過8位并行數(shù)據(jù)口D[0，7]和4位讀寫狀態(tài)／控制口RXF#、TXE#、RD#、WR實(shí)現(xiàn)與EP2C8交換數(shù)據(jù)，而PC機(jī)與FT245BM間通過UISB總線傳輸數(shù)據(jù)?？蛇x的外部EEPROM用于存儲(chǔ)USB設(shè)備的特定信息，通過EECS、EESK、EEDATA來完成數(shù)據(jù)的寫入和讀出。

　　在調(diào)試中，按照上述SignalTapⅡ的使用步驟，在編譯后的工程中添加STP文件，并對文件進(jìn)行設(shè)置。首先設(shè)置采樣時(shí)鐘gclk，系統(tǒng)時(shí)鐘采用32.768 MHz；然后添加采樣深度的設(shè)置，設(shè)為2 K；最后在STP文件中將Buffer AcquisitionMode分別設(shè)為連續(xù)存儲(chǔ)和循環(huán)采樣存儲(chǔ)兩種模式進(jìn)行驗(yàn)證。連續(xù)存儲(chǔ)方式記錄采樣操作的連續(xù)過程，而在循環(huán)采樣存儲(chǔ)方式下SignalTapⅡ記錄多次采樣時(shí)刻數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)外部實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)連接好后，進(jìn)行編譯下載。單擊SignalTapⅡ面板上的Autorun Analysis按鈕，啟動(dòng)SignalTapⅡ進(jìn)行采樣和分析，此時(shí)就能從SignalTaDⅡ數(shù)據(jù)窗通過JTAG口觀察到來自實(shí)驗(yàn)板上FPGA內(nèi)部的實(shí)時(shí)信號，該實(shí)例的輸出信號如圖5所示。

　　實(shí)際中將遇到許多競爭處理和不完善的地方，然而由于使用了SignalTapⅡ工具，所以能直觀地看到內(nèi)部的邏輯狀況，這大大減少了開發(fā)周期，并能順利地進(jìn)行調(diào)試。

　　5 結(jié)語

　　Quartus中的SignalTapⅡ工具成功克服了傳統(tǒng)邏輯分析儀的缺點(diǎn)，提供了一個(gè)測試器件的很好途徑，還具有實(shí)時(shí)可視性，大大減少了調(diào)試、驗(yàn)證過程花費(fèi)的時(shí)間，加快了設(shè)計(jì)周期。通過對CycloneⅡ系列EP2C8Q208C8進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)該測試手段大大提高了系統(tǒng)的調(diào)試能力，效果很好。但需注意的是，它是一塊自主邏輯，需要占據(jù)FPGA資源。比如RAM，LE等，資源消耗量與需采集的數(shù)據(jù)量成正比。因此不能無限制地采集信號，一般采集信號的深度不大。再者，由于時(shí)鐘的限制，無法看到有毛刺的現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的限制。另外，SignalTapⅡ工作在JTAG方式，調(diào)試完成后，需將SignalTapⅡ移除設(shè)計(jì)，以免浪費(fèi)資源。