基于FPGA的PCI總線接口硬件調(diào)試策略

0 引言
    在FPGA的設(shè)計(jì)流程中，完成設(shè)計(jì)輸入以及成功綜合、布局布線，只能說(shuō)明設(shè)計(jì)符合一定的語(yǔ)法規(guī)范，而并不能保證其滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)功能的要求，因而需要通過(guò)仿真對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證的目的是為了發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，而一旦發(fā)現(xiàn)，就需要千方百計(jì)地通過(guò)調(diào)試找到問(wèn)題所在，這其實(shí)也是設(shè)計(jì)中比較困難的。
    隨著FPGA可編程器件容量的不斷增大和設(shè)計(jì)復(fù)雜度的日益提高，功能調(diào)試已經(jīng)成為一個(gè)很繁重的任務(wù)。為了使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品盡快投入市場(chǎng)，設(shè)計(jì)人員需要一種簡(jiǎn)易有效的測(cè)試工具，以盡可能縮短測(cè)試時(shí)間，提高測(cè)試效率。傳統(tǒng)的邏輯分析儀在測(cè)試復(fù)雜的FPGA設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)面臨以下幾點(diǎn)問(wèn)題：
    1) I／O引腳有限。設(shè)計(jì)中器件的選擇依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)模而定，通常所選器件的I／O引腳數(shù)目和設(shè)計(jì)的需求是恰好匹配的；
    2) I／O引腳難以引出。設(shè)計(jì)者為減小電路板的面積，大都采用細(xì)間距工藝技術(shù)，這在不改變PCB板布線的情況下引出I／O引腳非常困難；
    3)外接邏輯分析器有可能改變FPGA設(shè)計(jì)中信號(hào)的原來(lái)狀態(tài)，因此，很難保證待測(cè)信號(hào)的正確性；
    4)傳統(tǒng)的邏輯分析器價(jià)格昂貴，會(huì)增加設(shè)計(jì)成本。

1 Signal Tap硬件調(diào)試原理
    為了盡快使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品投入市場(chǎng)，就要盡可能地縮短設(shè)計(jì)驗(yàn)證所耗費(fèi)的時(shí)間。為此，Altera公司推出了一種新的調(diào)試工具。這種型號(hào)的Sig-nal TapⅡ的邏輯分析器具有無(wú)干擾、便于升級(jí)、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，可滿足FPGA開發(fā)中硬件調(diào)試的要求。
    Signal TapⅡ邏輯分析器集成到QuartusⅡ設(shè)計(jì)軟件中，能夠捕獲和顯示可編程單芯片系統(tǒng)(SOPC)設(shè)計(jì)中的實(shí)時(shí)信號(hào)狀態(tài)，這樣，開發(fā)者就可以在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中以系統(tǒng)級(jí)速度觀察硬件和軟件的交互。Signal TapⅡ可支持多達(dá)1024個(gè)通道，采樣深度高達(dá)128KB，每個(gè)分析器均有1O級(jí)觸發(fā)輸入／輸出，從而增加了采樣的精度?？梢哉f(shuō)，Signal TapⅡ?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供了業(yè)界領(lǐng)先的SOPC設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)可視性，它能夠大大減少驗(yàn)證過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間。目前，SignalTapⅡ邏輯分析器可以支持的器件系列包括：APEXT　II，APEX20KE，APEX20KC，APEX20K，Cyclone，Ex-calibur，Mercury，Stratix GX，Stratix等。Signal　TapⅡ?qū)⑦壿嫹治瞿K嵌入到FPGA中，圖1所示是Signal　TapⅡ的嵌入式邏輯分析器結(jié)構(gòu)框圖。圖中，邏輯分析模塊可對(duì)待測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲。并將數(shù)據(jù)通過(guò)JTAG接口從FPGA傳送到QuartusⅡ中顯示。使用Signal TapⅡ無(wú)需額外的邏輯分析設(shè)備，只需將一根JTAG接口的下載電纜連接到要調(diào)試的FPGA器件，Signal TapⅡ在對(duì)FPGA的引腳和內(nèi)部的連線信號(hào)進(jìn)行捕獲后，便可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA的RAM塊中。因此，需要為采樣信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和待測(cè)信號(hào)預(yù)留一定數(shù)目的RAM塊。

2 使用Signal Tap的一般流程
    圖2所示是Signal TapⅡ的調(diào)試流程示意圖。使用Signal TapⅡ的一般流程，是在完成設(shè)計(jì)并編譯工程后，建立Signal TapⅡ(．stp)文件并加入工程，然后再配置STP文件，并將其編譯并下載設(shè)計(jì)到FPGA中，接著在QuartusⅡ軟件中顯示被測(cè)信號(hào)的波形，并在測(cè)試完畢后將該邏輯分析器從項(xiàng)目中刪除。

    其Signal TapⅡ文件設(shè)置和采集信號(hào)數(shù)據(jù)的基本流程如下：
    (1)建立新的Signal TapⅡ文件；
    (2)設(shè)置采樣時(shí)鐘。采樣時(shí)鐘決定了顯示信號(hào)波形的分辨率，它的頻率要大于被測(cè)信號(hào)的最高頻率，否則將無(wú)法正確反映被測(cè)信號(hào)波形的變化。Signal TapⅡ通常在時(shí)鐘上升沿將被測(cè)信號(hào)存儲(chǔ)到緩存。
    (3)設(shè)置被測(cè)信號(hào)?？梢允褂肗ode Finder中的SignalI TapⅡ?yàn)V波器查找所有預(yù)綜合和布局布線后的Signal TapⅡ節(jié)點(diǎn)，添加要觀察的信號(hào)。邏輯分析器不可測(cè)試的信號(hào)包括：邏輯單元的進(jìn)位信號(hào)、PLL的時(shí)鐘輸出、JTAG引腳信號(hào)、LVDS(低壓差分)信號(hào)等。
    (4)配置采樣深度，確定RAM的大小。Signal TapⅡ所能顯示的被測(cè)信號(hào)波形的時(shí)間長(zhǎng)度為TX，其計(jì)算公式如下：
    TX=NTS
    式中，N為緩存中存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)數(shù)，TS為采樣時(shí)鐘的周期；
    (5)設(shè)置buffer acquisition mode。buffer ac-quisition mode包括循環(huán)采樣存儲(chǔ)和連續(xù)存儲(chǔ)兩種模式。循環(huán)采樣存儲(chǔ)也就是分段存儲(chǔ)，即將整個(gè)緩存分成多個(gè)片段(segment)，每當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)就捕獲一段數(shù)據(jù)。該功能可以去掉無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)，使采樣緩存的使用更加靈活；
    (6)觸發(fā)級(jí)別。Signal TapⅡ支持多觸發(fā)級(jí)的觸發(fā)方式，最多可支持1O級(jí)觸發(fā)，設(shè)計(jì)人員可以只查看最重要的數(shù)據(jù)。
    (7)觸發(fā)條件。Signal TapⅡ邏輯分析器可支持多個(gè)觸發(fā)位置以及外部觸發(fā)事件，可以使用Signal TapⅡ邏輯分析器窗口中的Signal Configu-ration面板來(lái)設(shè)置觸發(fā)器選項(xiàng)，也可以設(shè)定復(fù)雜的觸發(fā)條件來(lái)捕獲相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以協(xié)助調(diào)試設(shè)計(jì)。當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)，可在Signal Tap時(shí)鐘的上升沿采樣被測(cè)信號(hào)。

3 使用Signal Tap調(diào)試PCI主設(shè)備控制器
    Signal TapⅡ邏輯分析器的使用大大加快了PCI主設(shè)備控制器的調(diào)試進(jìn)程，例如在調(diào)試DMA傳輸后的中斷產(chǎn)生時(shí)，由于軟件檢測(cè)不到中斷而導(dǎo)致DMA傳輸結(jié)束后，可能會(huì)使計(jì)算機(jī)死機(jī)而不能正常結(jié)束(完整的流程是：DMA傳輸結(jié)束，產(chǎn)生中斷，并在軟件檢測(cè)到中斷后進(jìn)人中斷服務(wù)程序來(lái)處理中斷，然后清除)。
    對(duì)中斷產(chǎn)生的條件進(jìn)行檢查時(shí)，32位的DMA計(jì)數(shù)器必須為0，而且DMA傳輸結(jié)束標(biāo)志信號(hào)必須有效，針對(duì)這一條件，使用普通的示波器和邏輯分析器根本無(wú)法跟蹤到，但是使用SignalTapⅡ邏輯分析器的高級(jí)設(shè)置，就可將這兩個(gè)條件作為觸發(fā)條件，從而檢測(cè)到中斷是否產(chǎn)生，其高級(jí)設(shè)置如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    與傳統(tǒng)邏輯分析器相比，使用Signal TapⅡ邏輯分析器有以下優(yōu)勢(shì)：
    (1)不占用額外的I／O資源。若使用傳統(tǒng)的邏輯分析儀觀察信號(hào)波形，則必須將待觀察信號(hào)引到空閑管腳，這樣，在器件管腳緊張的時(shí)候，Signal TapⅡ邏輯分析器的優(yōu)點(diǎn)就可以得到充分地體現(xiàn)。
    (2)不占用PCB空間。若使用傳統(tǒng)邏輯分析儀，則需要從FPGA器件上引出測(cè)試管腳到PCB上，這樣會(huì)增加PCB走線難度；
    (3)不破壞信號(hào)的完整性；
    (4)傳統(tǒng)邏輯分析儀價(jià)格昂貴，而將Signal TapⅡ邏輯分析器集成在QuartusⅡ軟件中，無(wú)需另外付費(fèi)；
    因此，可以預(yù)見(jiàn)，Signal TapⅡ邏輯分析器將受到越來(lái)越多的設(shè)計(jì)工程師的青睞。