SignalTapII ELA的FPGA在线调试技术介绍

在设计基于FPGA的电子系统时，一般需要用示波器、逻辑分析仪等外部测试设备进行输入输出信号的测试，借助测试探头把信号送到测试设备上进行观察分析。当然，前提是需要保留足够多的引脚，以便能选择信号来驱动I／O进行测试。但是外部的测试设备在测试FPGA系统时，常会遇到这样的情况：FPGA的I／O引脚数量不够丰富，PCB布线和封装丁艺复杂导致I／O引脚引出困难，外部测试探头有影响FPGA信号时序和完整性的可能。

如果能在FPGA内部嵌入具有外部测试设备功能的逻辑测试模块，那么以上问题就可以一一解决。SignalTapII就是这样一种嵌入式逻辑分析器(embedded logicanaIyzer)，简称为SignalTapII ELA。它是QuartusII软件中集成的内部逻辑分析软件，使用它可以实时观察内部信号波形，方便用户查找设计的缺陷。

1  SignalTapII ELA的原理

SignalTapII ELA是Quartus软件中第二代系统级调试工具。将SignalTapII ELA代码和系统逻辑代码组合交由QuartusII编译、综合、布局布线，生成sol文件中内含SignalTapII ELA，把sof文件配置到FPGA内。FPGA运行时，一旦满足待测信号的触发条件，SignalTapII ELA就立即启动，按照采样时钟的频率捕获待测信号数据并暂存于FPGA片内的RAM中，采样数据不断刷新片内存储器，最后通过JTAG口将捕获的信号从片内RAM传至Quartus II实时显示。SignalTapII ELA的原理流程如图1所示。

实际工程中，加入SignalTapII ELA不会影响系统原有的逻辑功能。

2  SignalTapII ELA的配置

SignalTapII ELA基本配置过程如下：

①添加采样时钟。SignalTaplI ELA在时钟的上升沿进行采样，可以使用设计系统中的任何信号作为采样时钟，根据Altera公司的建议最好使用同步系统全局时钟作为采样时钟。但是在实际应用中，多数使用独立的采样时钟，这样能采样到被测系统中的慢速信号，或与工作时钟相关的信号。当然采样时钟的频率要大于被测信号的最高频率，否则被测信号波形会有较大误差。

②定义采样深度。采样深度决定了待测信号采样存储的大小，而可以采样的深度是根据设计中剩余的RAM块容量和待测信号的个数决定的。若待测信号较多，则在同样I／O Bank个数情况下采样深度较浅。待测信号个数的增减和采样深度的深浅会直接改变RAM块的占用情况，采样深度的范围为0～128 KB。

③定义RAM类型。设置占用片内何种RAM块资源，随着采样深度的改变，RAM块的数据线和地址线宽度可以分割成多种组合。例如：采样深度是1 KB，RAM数据线、地址线可以分割成2×512或4×256等多种组合。依此类推。

④定义触发位置。Pre trigger position表示采样到的数据12％为触发前，88％为触发后；Center trigger position表示采样的数据处于触发前后各一半；Post trigger position表示采样到的数据88％为触发前，12％为触发后。

⑤触发条件级数设置。SignalTapII ELA支持多触发级的触发方式，最多可支持10级触发，帮助滤除不相干的数据，更快地找到需要的数据。若有多级触发条件，首先分析第一级触发条件。若第一级为TRUE，则转到分析第二级是否满足，直到分析完所有触发条件均为TRUE才最终触发时钟采样数据。

⑥触发条件。设定约束性的触发条件。可以允许单个信号的独立触发条件Basic，直接采用单个外部或设计模块内部的信号；也可以允许多个节点信号的组合触发条件Advanced，构成触发函数的触发条件方程。例如：使能信号ENA与4位输出信号Q相与后触发，触发条件=ENA&(Q=15)。