使用SignalTap II邏輯分析儀調(diào)試FPGA

1 概述

--- 隨著FPGA容量的增大，F(xiàn)PGA的設(shè)計日益復(fù)雜，設(shè)計調(diào)試成為一個很繁重的任務(wù)。為了使得設(shè)計盡快投入市場，設(shè)計人員需要一種簡易有效的測試工具，以盡可能的縮短測試時間。傳統(tǒng)的邏輯分析儀在測試復(fù)雜的FPGA設(shè)計時，將會面臨以下幾點問題：1）缺少空余I/O引腳。設(shè)計中器件的選擇依據(jù)設(shè)計規(guī)模而定，通常所選器件的I/O引腳數(shù)目和設(shè)計的需求是恰好匹配的。2）I/O引腳難以引出。設(shè)計者為減小電路板的面積，大都采用細(xì)間距工藝技術(shù)，在不改變PCB板布線的情況下引出I/O引腳非常困難。3）外接邏輯分析儀有改變FPGA設(shè)計中信號原來狀態(tài)的可能，因此難以保證信號的正確性。4）傳統(tǒng)的邏輯分析儀價格昂貴，將會加重設(shè)計方的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。

--- 伴隨著EDA工具的快速發(fā)展，一種新的調(diào)試工具Quartus II 中的SignalTap II 滿足了FPGA開發(fā)中硬件調(diào)試的要求，它具有無干擾、便于升級、使用簡單、價格低廉等特點。本文將介紹SignalTap II邏輯分析儀的主要特點和使用流程，并以一個實例介紹該分析儀具體的操作方法和步驟。

2 SignalTap II的特點及使用

--- SignalTap II嵌入邏輯分析儀集成到Quartus II設(shè)計軟件中，能夠捕獲和顯示可編程單芯片系統(tǒng)（SOPC）設(shè)計中實時信號的狀態(tài)，這樣開發(fā)者就可以在整個設(shè)計過程中以系統(tǒng)級的速度觀察硬件和軟件的交互作用。它支持多達1024個通道，采樣深度高達128Kb，每個分析儀均有10級觸發(fā)輸入/輸出，從而增加了采樣的精度。SignalTap II為設(shè)計者提供了業(yè)界領(lǐng)先的SOPC設(shè)計的實時可視性，能夠大大減少驗證過程中所花費的時間。目前SignalTap II邏輯分析儀支持的器件系列包括：APEXT II, APEX20KE, APEX20KC, APEX20K, Cyclone, Excalibur, Mercury, Stratix GX, Stratix。

--- SignalTap II將邏輯分析模塊嵌入到FPGA中，如圖1所示。邏輯分析模塊對待測節(jié)點的數(shù)據(jù)進行捕獲，數(shù)據(jù)通過JTAG接口從FPGA傳送到Quartus II軟件中顯示。使用SignalTap II無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。SignalTap II對FPGA的引腳和內(nèi)部的連線信號進行捕獲后，將數(shù)據(jù)存儲在一定的RAM塊中。因此，需要用于捕獲的采樣時鐘信號和保存被測信號的一定點數(shù)的RAM塊。

--- 使用SignalTap II的一般流程是：設(shè)計人員在完成設(shè)計并編譯工程后，建立SignalTap II (.stp)文件并加入工程、配置STP文件、編譯并下載設(shè)計到FPGA、在Quartus II軟件中顯示被測信號的波形、在測試完畢后將該邏輯分析儀從項目中刪除。以下描述設(shè)置 SignalTap II 文件的基本流程：

--- 1．設(shè)置采樣時鐘。采樣時鐘決定了顯示信號波形的分辨率，它的頻率要大于被測信號的最高頻率，否則無法正確反映被測信號波形的變化。SignalTap II在時鐘上升沿將被測信號存儲到緩存。

--- 2．設(shè)置被測信號?？梢允褂肗ode Finder 中的 SignalTap II 濾波器查找所有預(yù)綜合和布局布線后的SignalTap II 節(jié)點，添加要觀察的信號。邏輯分析器不可測試的信號包括：邏輯單元的進位信號、PLL的時鐘輸出、JTAG引腳信號、LVDS（低壓差分）信號。

--- 3．配置采樣深度、確定RAM的大小。SignalTap II所能顯示的被測信號波形的時間長度為Tx，計算公式如下：
--- Tx=N×Ts
--- N為緩存中存儲的采樣點數(shù)，Ts為采樣時鐘的周期。

--- 4．設(shè)置buffer acquisition mode。buffer acquisition mode包括循環(huán)采樣存儲、連續(xù)存儲兩種模式。循環(huán)采樣存儲也就是分段存儲，將整個緩存分成多個片段(segment)，每當(dāng)觸發(fā)條件滿足時就捕獲一段數(shù)據(jù)。該功能可以去掉無關(guān)的數(shù)據(jù)，使采樣緩存的使用更加靈活。

--- 5．觸發(fā)級別。SignalTap II支持多觸發(fā)級的觸發(fā)方式，最多可支持10級觸發(fā)。

--- 6．觸發(fā)條件。可以設(shè)定復(fù)雜的觸發(fā)條件用來捕獲相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以協(xié)助調(diào)試設(shè)計。當(dāng)觸發(fā)條件滿足時，在signalTap時鐘的上升沿采樣被測信號。

--- 完成STP設(shè)置后，將STP文件同原有的設(shè)計下載到FPGA中，在Quartus II中SignalTap II窗口下查看邏輯分析儀捕獲結(jié)果。SignalTap II可將數(shù)據(jù)通過多余的I/O引腳輸出，以供外設(shè)的邏輯分析器使用；或輸出為csv、tbl、vcd、vwf文件格式以供第三方仿真工具使用。

3 實例分析

--- 本文以一個ADC0809器件的采樣控制器作為實例，具體說明如何用SignalTap II 來進行FPGA設(shè)計的驗證。使用Altera公司的器件Cyclone系列FPGA- EP1C12Q240C8，該器件支持SignalTap II 嵌入式邏輯分析儀的使用。

--- FPGA的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)字倍頻器的倍頻輸出提供ADC控制器的采樣觸發(fā)脈沖。A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的操作時序見數(shù)據(jù)手冊，根據(jù)其操作時序，ADC控制器來實現(xiàn)ADC0809的數(shù)據(jù)采集操作，采樣的時機由倍頻器來控制?？刂破髅靠刂仆瓿梢淮尾蓸硬僮?，則停止等待下一個觸發(fā)脈沖的到來。倍頻器每輸出一個低電平脈沖，ADC采樣控制器的狀態(tài)機進行一次采樣操作。在倍頻器的觸發(fā)控制下，完成被測信號一個基波周期N個點的等間隔采樣，同時數(shù)字倍頻器跟蹤輸入信號的頻率的變化，盡可能地保持N個點的采樣寬度正好為被測信號一個周波的寬度。

--- 測試項目是基于FPGA的AD采樣控制器，它是用狀態(tài)機控制的周期性的重復(fù)事件，一次采樣操作完成后等待采樣脈沖、開始下一次的采樣。針對待測項目的周期性，

--- 在STP文件中將buffer acquisition mode分別設(shè)為連續(xù)存儲和循環(huán)采樣存儲兩種模式進行驗證。連續(xù)存儲方式記錄采樣操作的連續(xù)過程，而在循環(huán)采樣存儲方式下SignalTap II記錄多次采樣時刻數(shù)據(jù)。

--- 按照上述SignalTap II的使用步驟，在編譯后的工程中添加STP文件，并對文件進行設(shè)置，如圖3所示。如1處設(shè)置采樣時鐘ct[3]，系統(tǒng)時鐘的16分頻。2處添加測試信號，包括待測模塊輸出的AD采樣控制信號和狀態(tài)機的狀態(tài)等。3處是采樣深度的設(shè)置，設(shè)為512。在4處的設(shè)置確定了在clko時鐘的上升沿觸發(fā)邏輯分析儀。在連續(xù)存儲模式下設(shè)置buffer acquisition mode為Circular前觸發(fā)位置。在分段存儲模式下設(shè)置為Sigmented 512 1 bit segments，表示將存儲區(qū)劃分成512個段，每段1個位的存儲深度。存儲模式的設(shè)置如圖中6所示。另外，使用Mnemonic Table將狀態(tài)機的7個狀態(tài)標(biāo)示為直觀名稱。 

--- 首先將STP文件設(shè)置成連續(xù)存儲模式，并將該文件連同工程一起下載到FPGA中。在連續(xù)存儲模式下，SignalTap II在clko時鐘的上升沿連續(xù)采樣直到采樣點數(shù)達到512個。這樣，SignalTap II記錄了一次采樣過程的所有數(shù)據(jù)，捕獲結(jié)果如圖4所示，從中可以看到FPGA控制ADC0809轉(zhuǎn)換的時序波形。

--- 將圖3所示步驟6中的Buffer acquisition node改為Segmented方式，設(shè)其值為256 1 bit segments，并將修改后的STP文件連同工程重新下載到FPGA中。和單次觸發(fā)相同的是邏輯分析儀在ADC0809采樣時鐘上升沿時觸發(fā)邏輯分析儀，不同的是因為每一段只有1bit的存儲深度，因此捕獲1位數(shù)據(jù)后邏輯分析儀停止，等待下一次滿足觸發(fā)信號再次啟動，一共啟動256次。在波形顯示窗口，設(shè)顯示格式為Line Chart，這樣結(jié)果就直觀的顯示為連續(xù)的波形。分片采樣，可觀察同步采樣的結(jié)果，圖5是連續(xù)采樣256個點的結(jié)果波形。

4 結(jié)論

--- SignalTap II 嵌入式邏輯分析器，提供了芯片測試的一個很好的途徑。通過SignalTap II 測試芯片無需外接專用儀器，它在器件內(nèi)部捕獲節(jié)點進行分析和判斷系統(tǒng)故障。本文通過對Cyclone EP1C12器件的實驗證實該測試手段大大提高系統(tǒng)的調(diào)試能力，具有很好的效果。