數(shù)字硬件設(shè)計(jì)調(diào)試攻略

　　對(duì)于業(yè)界率先實(shí)現(xiàn)的同類型設(shè)計(jì)(即新產(chǎn)品首次進(jìn)行實(shí)際構(gòu)建)而言，我們或許應(yīng)該制定更深入的設(shè)計(jì)決策，例如將電源與下游電子器件進(jìn)行分離處理。這樣，我們就能確保電源和上電順序都能正常工作，從而避免下游組件的應(yīng)力過(guò)大或損壞。更詳盡的前端設(shè)計(jì)階段有助于測(cè)試工作的例子還有一個(gè)，那就是確保JTAG端口除了在系統(tǒng)中對(duì)所有FPGA或處理器進(jìn)行編程之外還能有更多用處，例如通過(guò)邊界掃描測(cè)試來(lái)進(jìn)行初始的硬件驗(yàn)證等。邊界掃描測(cè)試對(duì)在測(cè)試階段早期減少硬件設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)非常有用，同時(shí)也要求對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，以確保最大限度地覆蓋邊界掃描器件。

　　明確硬件特性

　　系統(tǒng)第一次到達(dá)實(shí)驗(yàn)室時(shí)，您要做的第一件事情就是確定硬件底層模塊是否適合做進(jìn)一步的測(cè)試。相關(guān)檢查包括模塊的初步通電測(cè)試，這是個(gè)緊張的過(guò)程。剛拿到模塊，您希望確保其準(zhǔn)確投產(chǎn)，能夠成功實(shí)現(xiàn)首次通電啟動(dòng)。第一步就是確保所有的組件都各就其位，引腳“1”正確定位，而且任何帶極性的組件都準(zhǔn)確放置。設(shè)計(jì)中通?？赡馨姸酂o(wú)需檢查定位的組件，例如那些適合不同版本或不同構(gòu)建選項(xiàng)的組件。

　　如果您確定所有電源軌都沒(méi)有短路，那么下一步就該加電了。初次加電時(shí)，我傾向于采用分兩個(gè)階段進(jìn)行的方案。第一個(gè)階段是采用低電壓(0.5V)和低電流，以確保不錯(cuò)過(guò)信號(hào)層或電壓軌之間的任何短路情況;第二個(gè)階段是用正確的工作電壓在設(shè)定的電流限值內(nèi)加電，看看是否獲得預(yù)期電流(不要忘了突入電流問(wèn)題)。

　　成功給設(shè)計(jì)方案加電后，下一步就是確定電源上電的排序、復(fù)位以及時(shí)鐘是否能按設(shè)想的工作。切記，要確保復(fù)位時(shí)長(zhǎng)超過(guò)所有時(shí)鐘，并在釋放之前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

　　明確硬件特性的下一步就是確保能通過(guò)JTAG鏈看到硬件，這使我們不僅能對(duì)FPGA編程，而且還能執(zhí)行邊界掃描測(cè)試。邊界掃描測(cè)試能幫助我們快速測(cè)試器件之間的互連，通過(guò)測(cè)試存儲(chǔ)器可確保其正常工作，如開(kāi)發(fā)回環(huán)接插件也可回轉(zhuǎn)輸入輸出。JTAG和邊界掃描測(cè)試可在進(jìn)一步詳細(xì)的測(cè)試之前消除設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

　　致力于簡(jiǎn)化RTL

　　如果您的設(shè)計(jì)在硬件和FPGA層面上都很復(fù)雜，那么簡(jiǎn)化版的RTL將有助于測(cè)試開(kāi)發(fā)板以及FPGA和外設(shè)(圖2)之間的接口。對(duì)高速接口設(shè)計(jì)而言，更是如此。我們可結(jié)合采用優(yōu)化的RTL和賽靈思 ChipScope工具來(lái)捕獲數(shù)據(jù)，以及預(yù)載了數(shù)據(jù)模式的Block BRAM來(lái)發(fā)揮激勵(lì)作用。這種方法對(duì)采用ADC和DAC連接FPGA的情況尤其有用。在此情況下，您應(yīng)發(fā)揮FPGA的可再編程特性來(lái)最大限度地進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)ADC和DAC的參數(shù)測(cè)試，比如噪聲/功率比、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍和有效比特位數(shù)(effective-number-of-bit)計(jì)算等。

　　此外，您還應(yīng)該充分利用FPGA提供的資源，尤其是賽靈思System Monitor和XADC，非常有利于監(jiān)控芯片上的電壓軌，進(jìn)而還能有助于驗(yàn)證在設(shè)計(jì)階段所執(zhí)行的電源完整性分析。此外，上述技術(shù)還能方便地報(bào)告芯片溫度，這對(duì)環(huán)境測(cè)試以及芯片溫度的功耗關(guān)聯(lián)等都有幫助。

　　多數(shù)情況下，簡(jiǎn)化RTL設(shè)計(jì)并采用FPGA提供的資源對(duì)精確定位未按預(yù)期工作的區(qū)域都有極大的幫助。

　　遇到問(wèn)題怎么辦?

　　在一步步推進(jìn)測(cè)試計(jì)劃的過(guò)程中，您可能會(huì)遇到一兩個(gè)問(wèn)題，如未能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，或在功能方面無(wú)法滿足所需的性能水平。不要擔(dān)心，我們能通過(guò)許多調(diào)查方法來(lái)確定問(wèn)題根源和所需的糾正措施。

　　在上述情況下，不要急于馬上做出修改。首先，要重新檢查設(shè)計(jì)方案，特別是原理圖和數(shù)據(jù)手冊(cè)等設(shè)計(jì)信息。如果問(wèn)題與FPGA有關(guān)，則應(yīng)檢查引腳約束文件是否適合設(shè)計(jì)需要，因?yàn)橛锌赡芪募c設(shè)計(jì)不同步。

　　如果一時(shí)找不出什么明顯錯(cuò)誤，則不妨發(fā)揮一下互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，去網(wǎng)上看看其他工程師是否也遇到過(guò)跟您同樣的問(wèn)題。網(wǎng)上有很多論壇，您可在那里向其他設(shè)計(jì)人員提問(wèn)。Programmable Planet和賽靈思論壇都可為基于FPGA的設(shè)計(jì)提供廣泛的支持。

　　說(shuō)到底，硬件調(diào)試是工程設(shè)計(jì)中極富挑戰(zhàn)，但又極具收獲的組成部分。若在設(shè)計(jì)早期階段即考慮到測(cè)試問(wèn)題，并在設(shè)計(jì)中包含測(cè)試所需的各元素，就能顯著簡(jiǎn)化調(diào)試工作。采用ChipScope、System Monitor和XADC等所有可用的資源來(lái)調(diào)試系統(tǒng)，外加合理利用傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備，我們就能成功完成開(kāi)發(fā)工作。

　　圖2：這里的優(yōu)化代碼是從連接輸出的簡(jiǎn)單DAC接口到已知狀態(tài)的代碼片段，能夠生成Fs/2的正弦波。此類代碼的標(biāo)準(zhǔn)版可能有數(shù)百行的長(zhǎng)度。