加速FPGA系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)試技術(shù)

設(shè)計(jì)階段

在這一階段不僅要設(shè)計(jì)，而且要使用仿真工具開(kāi)始調(diào)試。實(shí)踐證明，正確使用仿真為找到和校正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤提供了一條有效的途徑。但是，不應(yīng)依賴(lài)仿真作為調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)的唯一工具。

在設(shè)計(jì)階段，還需要提前考慮調(diào)試和檢驗(yàn)階段，規(guī)劃怎樣在線快速調(diào)試FPGA，這可以定義整體調(diào)試方法，幫助識(shí)別要求的任何測(cè)試測(cè)量工具，確定選擇的調(diào)試方法對(duì)電路板設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響。針對(duì)可能選用的FPGA存在的高速總線，除了考慮邏輯時(shí)序的測(cè)試和驗(yàn)證外，還應(yīng)該充分考慮后面可能面臨的信號(hào)完整性測(cè)試和分析難題。

調(diào)試和檢驗(yàn)階段

在調(diào)試階段，必需找到仿真沒(méi)有找到的棘手問(wèn)題。怎樣以省時(shí)省力的方式完成這一工作是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在本文的第一部分，我們將考察怎樣選擇正確的FPGA調(diào)試方法及怎樣有效利用新方法的處理能力，這些新方法可以只使用少量的FPGA針腳查看許多內(nèi)部FPGA信號(hào)。如果使用得當(dāng)，您可以突破最棘手的FPGA調(diào)試問(wèn)題。

FPGA調(diào)試方法

在設(shè)計(jì)階段需要作出的關(guān)鍵選擇是使用哪種FPGA調(diào)試方法。在理想情況下，您希望有一種方法，這種方法可以移植到所有FPGA設(shè)計(jì)中，能夠洞察FPGA內(nèi)部運(yùn)行和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程，為確定和分析棘手的問(wèn)題提供相應(yīng)的處理能力。

基本在線FPGA調(diào)試方法有兩種：使用嵌入式邏輯分析儀以及使用外部邏輯分析儀。選擇使用哪種方法取決于項(xiàng)目的調(diào)試需求。

嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核

主要FPGA廠商針對(duì)器件的在線調(diào)試都提供了嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核，如ALTERA的SignalTap II和Xilinx的ChipScope ILA。這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊插入FPGA設(shè)計(jì)中，同時(shí)提供觸發(fā)功能和存儲(chǔ)功能。它們使用FPGA邏輯資源實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電路，使用FPGA存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。它們使用JTAG配置內(nèi)核操作，并用來(lái)把捕獲的數(shù)據(jù)傳送到PC上進(jìn)行查看。

由于嵌入式邏輯分析儀使用內(nèi)部FPGA資源，因此其通常用于大型FPGA，這些大型FPGA可以更好地消化插入內(nèi)核帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)。一般來(lái)說(shuō)，用戶(hù)希望內(nèi)核占用的FPGA邏輯資源不超過(guò)可用資源的5%。

與任何調(diào)試方法一樣，還要知道這種方法存在的部分矛盾。

針腳與內(nèi)部資源

嵌入邏輯分析儀內(nèi)核不使用額外的測(cè)試針腳，因?yàn)樗ㄟ^(guò)現(xiàn)有的JTAG針腳訪問(wèn)內(nèi)核。這意味著即使設(shè)計(jì)受到FPGA針腳限制，您仍可以使用這種方法。矛盾在于，它使用的內(nèi)部FPGA邏輯資源和存儲(chǔ)模塊可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。此外，由于使用片內(nèi)內(nèi)存存儲(chǔ)捕獲的數(shù)據(jù)，因此內(nèi)存深度一般相對(duì)較淺。

探測(cè)與運(yùn)行模式

嵌入式邏輯分析儀核心的探測(cè)非常簡(jiǎn)單。它使用現(xiàn)有的JTAG針腳，因此不必?fù)?dān)心怎樣把外部邏輯分析儀連接到系統(tǒng)上。矛盾在于，盡管嵌入式邏輯分析儀可以查看FPGA操作，但沒(méi)有一種方式把這些信息與電路板級(jí)或系統(tǒng)級(jí)信息時(shí)間關(guān)聯(lián)起來(lái)。而把FPGA內(nèi)部的信號(hào)與FPGA外部的信號(hào)關(guān)聯(lián)起來(lái)對(duì)解決最棘手的調(diào)試挑戰(zhàn)至關(guān)重要。在分析方法上，嵌入式邏輯分析儀只能進(jìn)行狀態(tài)分析。

成本與靈活性

大多數(shù)FP

GA廠商提供了嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核，而其價(jià)格要低于全功能外部邏輯分析儀。雖然用戶(hù)希望更多的功能，但嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核的功能無(wú)論從通用性，分析方式，觸發(fā)能力，還是從存儲(chǔ)和分析能力都弱于全功能外部邏輯分析儀，而用戶(hù)通常需要這些功能，來(lái)捕獲和分析棘手的調(diào)試挑戰(zhàn)。例如，嵌入式邏輯分析儀只能在狀態(tài)模式下操作，它們捕獲與FPGA設(shè)計(jì)中已有的指定時(shí)鐘同步的數(shù)據(jù)，因此不能提供精確的信號(hào)定時(shí)關(guān)系。

外部邏輯分析儀

由于嵌入式邏輯分析儀方法存在的部分限制，許多FPGA設(shè)計(jì)人員已經(jīng)采用外部邏輯分析儀方法，來(lái)利用FPGA的靈活性和外部邏輯分析儀的處理能力，如泰克TLA系列邏輯分析儀。

在這種方法中，感興趣的內(nèi)部信號(hào)路由到FPGA沒(méi)有使用的針腳上，然后連接到邏輯分析儀上。這種方法提供了非常深的內(nèi)存，適合調(diào)試那種出現(xiàn)故障和實(shí)際導(dǎo)致該故障的原因在時(shí)間上相距很遠(yuǎn)的問(wèn)題;對(duì)于需要采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析的設(shè)計(jì)人員也非常必要。另外它還可以把內(nèi)部FPGA信號(hào)與電路系統(tǒng)中的其它活動(dòng)時(shí)間關(guān)聯(lián)起來(lái)。

與嵌入式邏輯分析儀方法一樣，也需要考慮許多矛盾。

針腳與內(nèi)部資源

外部邏輯分析儀方法采用非常少的邏輯資源，不使用FPGA內(nèi)存資源。它釋放了這些資源，來(lái)實(shí)現(xiàn)所需功能?，F(xiàn)在的矛盾在于，必需增加專(zhuān)用于調(diào)試的針腳數(shù)量，而很明顯，設(shè)計(jì)要使用這些針腳。

探測(cè)與工作模式

外部邏輯分析儀探測(cè)要比嵌入式邏輯分析儀方法要求的探測(cè)復(fù)雜一些。必需確定怎樣使用邏輯分析儀探頭探測(cè)FPGA內(nèi)部信號(hào)，而不能使用電路板上已有的JTAG連接器。最簡(jiǎn)便的方式是在電路板中增加一個(gè)測(cè)試連接器，這可以簡(jiǎn)便地把FPGA信號(hào)與系統(tǒng)中的其它信號(hào)關(guān)聯(lián)起來(lái)。

成本與靈活性

盡管外部邏輯分析儀的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格確實(shí)要高于嵌入式邏輯分析儀，但使用外部邏輯分析儀可以解決更加廣泛的問(wèn)題。邏輯分析儀不僅可以用于FPGA調(diào)試，還可以用來(lái)解決其它數(shù)字設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，它被公認(rèn)為進(jìn)行通用數(shù)字系統(tǒng)硬件調(diào)試的最佳工具。外部邏輯分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)更加靈活的采集模式和觸發(fā)功能。通過(guò)外部邏輯分析儀，可以設(shè)置最多16個(gè)不同的觸發(fā)狀態(tài)(每一個(gè)狀態(tài)含有16個(gè)條件判斷分支)，每一個(gè)通道提供256M的內(nèi)存，并且可以在定時(shí)分析模式下以高達(dá)125 ps的分辨率(8GS/s采樣)捕獲數(shù)據(jù)。