FPGA研發(fā)之道(16)-可測性設計—從大數(shù)據(jù)開始說起

　　當下，最火的學問莫過于《大數(shù)據(jù)》，大數(shù)據(jù)的核心思想就是通過科學統(tǒng)計，實現(xiàn)對于社會、企業(yè)、個人的看似無規(guī)律可循的行為進行更深入和直觀的了解。FPGA的可測性也可以對FPGA內(nèi)部“小數(shù)據(jù)”的統(tǒng)計查詢，來實現(xiàn)對FPGA內(nèi)部BUG的探查。

　　可測性設計對于FPGA設計來說，并不是什么高神莫測的學問。FPGA的可測性設計的目的在設計一開始，就考慮后續(xù)問題調(diào)試，問題定位等問題。要了解FPGA可測性設計，只不過要回答幾個問題，那就是：

　　(1) 設計完成如何進行測試?

　　(2) 設計出現(xiàn)問題，如何迅速定位?

　　(3) 如何在設計之初就能劃分故障的層次，進行問題隔離?

　　一般情況下，在設計的調(diào)試階段，如果出現(xiàn)BUG，則需要通過嵌入式邏輯分析儀(chipscope/signaltap)對可能出現(xiàn)問題的信號進行抓取。這種方式，對于較大型的設計調(diào)試速度較慢(其編譯時間較長，迭代速度較慢，但是也是一種很有效的手段和FPGA的必備技能)。那么對于大型工程的可測試性，有什么行之有效的手段?

　　(1)統(tǒng)計計數(shù)。

　　FPGA設計中的統(tǒng)計計數(shù)不是不是什么《大數(shù)據(jù)》，只不過是些“小數(shù)據(jù)”，例如，對于網(wǎng)絡接口來說，收到多少包，發(fā)送多少包，收到多少字節(jié)，發(fā)送多少字節(jié)。 對于一個模塊來說，收到多少次調(diào)用，或者發(fā)起多少次操作。對于讀取FIFO的數(shù)據(jù)流操作，從FIFO中讀取多少frame(幀)，向后級FIFO寫入多少幀。

　　這些計數(shù)，毫無疑問都是需要占用資源的，但是占用這些資源是有價值的。通過這些計數(shù)，設計可以通過總線接口供外部處理器讀出。于是一張FPGA內(nèi)部設計的“大數(shù)據(jù)”圖形就顯現(xiàn)出來了”。

　　從上圖可得，通過外部CPU可將各處理模塊中的計數(shù)，分別讀出，于是得到其內(nèi)部的一張數(shù)據(jù)流圖。我們可以簡化設計為(計數(shù)A->計數(shù)B->計數(shù)C->計數(shù)D->計數(shù)E)。實際使用中可根據(jù)占用的資源和實際需要的觀測點來確定。

　　假設，我們在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，有輸入突然沒有輸出，這是不需要再去內(nèi)嵌邏輯分析儀來抓取信號，通過CPU的軟件，可以打印出所有計數(shù)，在有輸入驅(qū)動的情況下，假設計數(shù)C有變化，而計數(shù)D沒有變化，則直接定位處理模塊3，此時處理有問題，簡單直接而有效。

　　令一種情形也可以迅速定位，輸入多，但是輸出少，比如正常輸入的碼流，但是輸出到顯示上確實缺幀少幀，完全不流暢。通過計數(shù)分析，原本幀計數(shù)C和D應該一樣多，但是D卻計數(shù)較C少很多，說明此時處理模塊3性能不夠，或者設計有缺陷。這樣就把整個設計的關(guān)鍵點定位到處理模塊3.

　　通過FPGA內(nèi)部各模塊的關(guān)鍵計數(shù)分析，來定位分析問題，在設計上沒有任何難度。不過需要外部CPU或者FPGA嵌入式CPU的配合使用。

　　凡事有利就有弊，添加多的計數(shù)，會增加資源的使用量，那么如何平衡?對這種分析計數(shù)進行單獨位寬設定，在全局統(tǒng)一的宏定義中定位`define REG_WIDTH N 。此時N的設定可以靈活多樣，8位/16位/32位等等。可以根據(jù)項目中資源的剩余量，靈活添加所需的邏輯，畢竟這些計數(shù)的值提供分析試用。

　　(2)狀態(tài)輸出。

　　如果向上述問題一樣，我們定位到某個模塊，那么如何再定位到模塊中那個邏輯的問題?

　　解決這個問題的關(guān)鍵，就是狀態(tài)機，向輸出計數(shù)一樣，一般的設計中，都會以狀態(tài)機為核心進行設計，將狀態(tài)機的CS(當前狀態(tài))信號引出，如果沒有外部輸出的情況下，當前狀態(tài)應該為IDLE。比如上文中，我們定位到模塊3此時死機，等待不再輸入外部信號時，此時模塊3中的狀態(tài)機信號如不為IDLE，假如此時正處于狀態(tài) B_CS,則說明此時模塊的錯誤出現(xiàn)在狀態(tài)B。而B跳轉(zhuǎn)必須由信號X起效。因此可以直接定位到信號X的問題。剩下就是要定位信號X為什么不起效。(也許你看看代碼就能知道**不離十，是不是一秒鐘變高手! 開個玩笑!)

　　(3)邏輯復位。

　　劃分FPGA的問題或者模塊問題的另一種方式就是邏輯復位，上文講復位時(架構(gòu)設計漫談)，邏輯復位，如果A模塊自身有邏輯復位，如果設計沒有輸出(通俗叫做“FPGA死了”)，如果懷疑某個模塊，該模塊邏輯復位后，設計又正常工作，則需要定位的則是可以是該模塊、或者該模塊影響的與其連接模塊(該模塊的非正常輸出導致下一級模塊出錯)。

　　本文將的FPGA可測性設計，非ASIC講的通過插JTAG/BIST進行的測試。其目的還是通過關(guān)注如何測試的設計，來定位問題，提高FPGA的可測性。除此之外，邏輯探針也是可以一個解決測試問題的方向(專題另述)。可測性的提高，意味著調(diào)試手段的增加，調(diào)試速度加快，而不是一味的依賴嵌入式邏輯分析儀。能夠達到快速問題定位能力，是FPGA研發(fā)能力一個重要的體現(xiàn)，而可測性設計則是提升這一能力有力的助手。