浅析FPGA的调试-内嵌逻辑分析仪(SignalTap)原理及实例

对于FPGA调试，主要以Intel FPGA为例，在win10 Quartus ii 17.0环境下进行仿真和调试，开发板类型EP4CE15F17。主要包括一下几个部分：

- FPGA的调试-虚拟JTAG（Virtual JTAG）
- FPGA的调试-在线存储器内容编辑工具(In-system Memory Content Editor)
- FPGA的调试-内嵌逻辑分析仪(SignalTap)
- FPGA的调试-LogicLock
- FPGA的调试-调试设计的指导原则

1、相关理论知识

1.1内嵌逻辑分析仪

为方便用户进行调试，FPGA通常会内置信号观察逻辑，Altera提供的是SignalTap，而xilinx提供的则是ChipScope。此外还有第三方调试工具，如Synopsys的Identify。这类工具的核心原理为：以预先设定的时钟速率实时采样FPGA的内部信号或者引脚状态，并存储于FPGA的内部RAM中，然后通过统一的ELA（Embedded Logic Analyzer）进行数据分析和管理。当预设的触发条件满足后，ELA通过JTAG将存储在片内RAM中的数据缓存数据传输至PC上。当PC获得JTAG回传数据后，通过本地计算将对应的逻辑分析结果展现出来。


因此，无论是GignalTap还是ChipScope，其实都是在工程中额外加一些特殊模块实现信号的采集，所付出的代价包括：逻辑单元、内部RAM以及ELA资源。逻辑分析仪的数据捕获原理如图2-53所示，所有存储单元都是与当前逻辑设计的RAM共享的。如果当前逻辑占用RAM较大，内嵌的逻辑分析仪功能将会有非常大的存储深度限制。



从图2-53很容易发现，逻辑触发的时刻可以动态调整，而且存储的数据长度与时间也很容易调整。此外由于FPGA内置可编程能力，所以触发条件可以依赖于其他的事件触发，这样可以多级触发，形成基于状态的数据捕获。

例如当A信号为高电平，且持续32周期后，如果此时B信号为低电平且C信号有一个低脉冲，则触发一个等待事件；当等待事件发生65536个时钟周期后，再捕获数据，并通过逻辑分析仪发送出来。这就是基于状态机触发的逻辑分析功能，类似于Verilog中的Assertion断言和FSM状态机的有机结合体，是传统逻辑分析仪无法完成的。由于现在的逻辑通常都比较复杂，基于传统的条件触发模式，往往耗时耗力，很难快速找到BUG；而状态触发往往能够帮助设计者快速定位错误并调试。

对于逻辑分析仪而言，除了触发条件外，还有一个存储位置的概念。正常情况下，FPGA会对需要CIA杨的数据一直采样，当数据放满后，将采用循环覆盖的方式存储，这类似于FIFO中的卷绕（WRAP）概念。当触发器触发后，通常缓冲器都是满的；如果采用预触发，将继续记录当前存储容量12%的数据后停止（有些厂商是不再记录，直接用当前记录数据）；如果采用后触发，将继续记录当前存储容量的88%的数据后，停止记录（有些厂商是记录全部容量）；如果是中间触发，将继续记录当前存储容量的1/2的数据。实际上什么时候开始记录，什么时候停止都可以通过状态触发实现。捕获数据的概念示意图如图2-54所示。



下面通过SignalTAP为例，简单讲述内嵌逻辑分析仪的调试技巧。

1.2 SignalTap

SignalTAP是Altera内置的逻辑信号观测工具，内部实现结构如图所示。



根据前面的逻辑分析仪原理，很容易得知FPGA可以实现多个并行的ELA。通过FSM和条件判断支持多级触发，FPGA也能够支持复杂的状态机数据捕获。令触发条件加上一个计数器，就很容易使FPGA能在不同的起始时刻捕获数据。而Altera所设计的SignalTAP正好是按照上诉方式设计的，其特点如下：

最大支持1024个数据捕获通道

单个器件支持多个并发的逻辑分析模块，包括跨多个时钟域的信号

每个数据捕获通道能够支持10级触发

支持在不同的位置进行捕获，包括信号前段、中段和后段。

SignalTAP的捕获流程如图所示。

1.2.1 SignalTap的界面

操作界面如图所示。



1.2.2 SignalTap的演示

演示放在实例里

1.2.3 SignalTap的基本触发模式

当启动逻辑分析仪后，SignalTAP会对被监视的信号进行不断的采样，一直到某个条件满足后停止，这个条件就是触发条件。在基本模式下，触发条件被设定为当前信号的逻辑组合。当逻辑组合满足某个值后，触发条件将被满足，数据将被采样保存并上传到PC。

下图是SignalTAP的基本触发模式示意图。



1.2.4 SignalTap的Advanced Trigger模式

在信号列表Trigger Conditions栏的顶端选择Advanced，Advanced会弹出逻辑编辑器，在这里可以设计一个复杂的触发表达式。

1.2.5 SignalTap基于状态触发的触发模式

基于状态触发的逻辑分析仪模式是FPGA内嵌分析仪的而核心技术，主要技巧在于任何通过状态触发语句实现状态机的触发。下图是状态机触发的工作界面。



在设定触发条件前，先需要确定基本的触发条件，具体如图所示。



在设定基本触发条件后，就可以启动状态机的脚本设计，下面通过几个例子来说明状态机触发的实现方法：

1）当条件condition1不满足，且持续时间超过5个时钟周期后，触发触发器，相关理想波形如图所示：



对应的状态机触发代码如下：



2）当条件condition1不满足情况发生，且不满足情况在不超过5个时钟周期内，又发生条件condition1满足的情况，则触发触发器，否则停止触发。一个典型的例子图下图所示。



上诉触发触发器的脚本如下：



3）当condition条件满足5次后，触发触发器，否则停止触发。该例子的脚本如下：



4）当condition1条件满足后，如果condition2能够满足，则立即触发触发器，否则停止触发。该例子的脚本如下：



5）当condition1条件满足后，如果5个采样时钟周期内，condition2能够满足，则立即触发触发器，否则停止触发。该例子的脚本如下：

由于任何复杂的条件都可以简化为顺序、分支和循环3种情况，通过计数器能够实现循环，通过条件判断可实现分支，而通过状态机可实现流程控制。因此任意复杂的条件触发，都能够通过上诉条件组合捕获。

前面所举的5个例子，就是上诉不同场景的组合，因此读者只需要将上诉5个例子进行组合就能基本掌握触发条件的实现，熟练进行FPGA调试。

2、简单实例

2.1 新建工程

首先新建一个工程，然后添加文件，文件内容如下：

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

逻辑非常简单，其中，CLOCK是时钟引脚，RESET是复位引脚，这只模块的功能就是不断重复计数，然后将计数

内容经由 Data 输出。接下来综合，分配引脚后就可以设置SigalTAP了。

1.2 配置SignalTapII Logic Analyzer

如图所示，点击 Tool 菜单，然后选择 SignalTapII Logic Analyzer 便可启动该工具。



下图是 Signal Tap 的窗口，其中 4 处高亮的地方是比较重要的界面。

（一）JTAG Chain Configuration，JTAG 界面，主要是设置 USB Blaster。

（二）Instance Manager，调试界面，主要是启动，连续，结束等调试的活动。

（三）Signal Configuration，信号界面，主要是储存，触发等设置。

（四）Data，显示界面，主要是显示采集结果，时序活动。

（五）Setup，设置界面，主要是添加节点，设置触发事件/条件等。



① JTAG 界面 - 配置 JTAG 以及下载对象

如图所以，设备一旦上电，并且 USB Blaster 链接成功，那么 JTAG 界面就会进入绪状态。

如图 所示，SOF Manager 是小型下载管理器，读者也可以经由一般的下载管理器完成下载工作，不过一切下载活动必须在配置结束以后才执行（综合成功并且下载）。

② 信号界面 - 配置采集时钟，储存，触发：

一旦 JTAG 就绪以后，我们就可以开始执行信号相关的配置。如图 3.6 所示，默认下的信号界面都是这个样子，其中：



 Clock 是采集时钟
 Sample depth 是储存/采集深度
 RAM Type 是储存资源
 Storage Qualifier - type 是储存方式

首先，让我们设置采集时钟，所以请点击 Clock 选项右边的 < … >，完后会弹出节点界面。



图中 是节点界面，这点它和 Time Quest 非常相似：

① 请读者保持 Named：* 不变的情况下，
② Filter 选择为 ，
③ 注意 Look in 指向顶层模块 ，
④ 然后点击右上角的 < List >。

如下图 所示，这是添加节点（采集时钟）的步骤：

① 点击 列出所有 demo 模块相关的端口。
② 诸多端口之中，节点 CLOCK 将成为采集时钟，然后点击它。
③ 点击 > 将该节点添加到右边。
④ 点击 < OK > 生效设置。



如下图所示，采集时钟设置完毕以后，Clock 右边的文本框就会出现 CLOCK 的字眼。



如下图 所示，一般上储存相关的配置都会这样设定：

① Sample depth 储存深度按照感觉设置，这里是 256。
② RAM type 储存资源，有 Auto 就设置，非常省事，不然就是 M4K/M9K，还是 Logic。
③ Storage qualifier - type 储存方式选择 Continuous 连续性即可。

读者可能无法相信，高达 8 成的调试工作都是按照这样的设定与配置。



如图 3.11 所示，一般上触发相关的配置都是这样设定：



① Trigger flow control，触发条件流程，这里选择 Sequential 顺序性即可。
② Trigger position，触发位置，这里选择 Pre trigger position 即可。
③ Trigger conditions，触发条件数，这里选择一个即可。

同样，读者可能也无法相信，高达 8 成的调式工作也是按照这样的触发配置。到目前为止，信号界面的配置工作总算告一段落。

③ 配置界面 - 添加采集对象：
如图 3.12 所示，配置界面就是添加节点（采集对象）的地方，默认下它是空空如也，我们必须自行添加对象才行。
① < 右键 > 调出菜单，
② 点击 < Add Nodes … > 添加节点。

完成上面两个步骤以后，它就会跳出节点界面。



如上图所示，同样的节点界面再次出现：

① 请保持 Named:* 不变，
② Filter 设为 < Pins: all >，
③ Look in 设为 顶层模块，
④ 点击 列出，demo 模块所有相关的端口。



如上图 所示，假设 oData 是采集对象：

① 点击 列出顶层模块 demo 的所有端口，
② 选择 oData，
③ 点击 > 将节点添加到右边去，
④ 点击 生效配置。

如下图所示，如果一切无误的话，那么节点（采集对象）oData 就会出现在配置界面之中。完后，我们可以开始配置触发事件。



④ 触发事件：



如上图所示，笔者曾在前面说过触发事件可以是单一或者复数，其中 Basic AND 与Basic OR 就是用来表达复数触发事件的关系。我们以同样的例子作为解释 …



如上图所示，假设信号 A 的下降沿是事件 1，信号 B 的低电平是事件 2，那么 Baisc AND的逻辑关系造成两者在成立的情况下才执行采集。反之，Basic OR 的逻辑关系造成，任一事件成立都会执行采集。在此，笔者选择 Basic AND 就好了 …



言归正题。笔者也说过，Signal Tap 有预设触发事件以及高级触发事件，后者必须将触发事件设为 Advance 才行，反之预设触发事件可以：

① 触发事件表框之处 <右键>，
② 选择 。

默认下，Signal Tap 自带 7 个预设触发事件，在此笔者选择数值的触发事件，随后会弹出相关的窗口。



如上图所示，这是配置数值触发事件的窗口：
① 选择格式，这里是 < Unsigned Decimal >，无符号位的十进制，
② 输入数值，这里是 5，
③ 点击 生效配置。



上图 是触发事件配置完毕的情况，其中 oData 为 5 执行采集。到目前为止，配置工作已经是完成八九十，余下再综合一起便可下载至设备，期间系统可能要求保存一切配置，例如 stp1.stp 什么的，读者可以保存在任一的地方。



如图一切无误的话，那么实验三层次关系与文件关系的结果如上图 所示，其中 sld_×× 就是 Signal Tap 模块的实例化，读者也可以认为那是调试模块（环境）。

⑤ 采集界面：



如图 3.22 所示，程序下载以后，如果环境创建失败的话，那么它会呈现红色（左图）。反之，如果环境创建成功，那么它会打印 Ready to acquire 的字眼。一般上，调试环境创建失败有几个原因：

JTAG 未就绪

程序下载失败

综合结果过期

设备未上电

以上 4 个原因排除以后，调试工作就处于就绪状态。



如图 3.23 所示，采集界面主要有 4 个选项控制整个采集过程。

① Run Analysis 手动执行，触发事件诱发采集，达到采集次数自动停止。
② Auto Analysis 自动执行，无视触发事件，采集次数，采集一切。
③ Stop，停止执行，停止采集。
④ Read Data，读取数据，读取缓冲空间的内容。

一般上，如果触发事件配置无误的话，我们只要按下手动执行，那么触发事件会诱发采集，当采集达到某个次数以后（根据储存深度），采集过程就会结束。读者没有看错，采集界面只有 4 个选项而已，其中手动执行最为有用，因为其它选项只有在采集失败的情况下（触发事件未达成）才会派上用场，真是讽刺。例如，停止执行要么强制停止失控的采集现场，要么配合自动执行一起使用。换之，读取数据也是在采集失控的情况下，强制从设备中（缓冲空间）读取数据。好了，我们稍微点击一下手动执行，然后悄悄采集结果。



根据 demo 模块，我们知道它重复计数 0~31。如图 3.24 所示，T0 表示触发事件的达成之际也是采集工作的开始，其中未来值 5 就是触发事件的达成条件 … 简单的调试工作也到此结束。

3 （补充）Signal Tap 标准调试流程

如图 3.25 所示，虽说这是是官方指定的标准流程，不过笔者还是建议看看就好，千万不要太认真，迷信“标准”这种东西很容易害死人。图 3.25 有一处值得说明的地方是，触发事件发生失败的时候，如果跟着流程游荡，它会要求手动停止分析，如果 Signal Tap显示结果就进行分析，反之就是从设备哪里强制读取结果。



最后，好事的笔者也为实验三的配置过程绘出一副流程图，结果如图 3.26 所示，读者自己看着办。


4 （补充）添加节点

笔者相信许多第一次接触的同学都会畏惧节点的过滤选项。如图 3.27 所示，不甘寂寞的官方为我们准备那么多选项，多少有些弄巧成拙的感觉，有关过滤选项基本上可以分为两大类以致缩小范围。其一是 Pin 端口类，其二就是 Reg 寄存器类，笔者喜欢的选项却只有 Pins:all 以及 Register : pre-synthesis 两个而已。



顾名思义 Pins:all 就是所有端口的意思，如果 Look in 指向模块 A，那么模块 A 的端口就会显示出来（不管有没有赋值驱动）。反之，Register:pre-synthesis 就是综合以后的寄存器，如果 Look in 指向模块 B，那么模块 B 的所有寄存器都会暴露出来。除此之外，发狂的笔者偶尔不顾其它直接选择 Design Entry，即不管什么鬼东西统统都给老子举例出来 …

审核编辑：刘清