邏輯分析儀SignalTaPⅡ在系統(tǒng)級(jí)調(diào)試中的應(yīng)用

摘要：嵌入式邏輯分析儀SignalTap II是Quartus II軟件中第二代系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具，它可以用來捕捉目標(biāo)芯片內(nèi)部信號(hào)節(jié)點(diǎn)處的信息，而又不影響原硬件系統(tǒng)的正常工作。通過一個(gè)多波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)闡述SignalTap II的工作流程和參數(shù)設(shè)置方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測試方法操作方便，實(shí)時(shí)性較高，能夠加快系統(tǒng)的開發(fā)流程。
關(guān)鍵詞：SignalTap II；測試；信號(hào)發(fā)生器

引言
隨著微電子技術(shù)、微封裝技術(shù)和印制板制造技術(shù)的不斷發(fā)展，印制電路板面積越來越小，密度越來越大，復(fù)雜度越來越高，層數(shù)越來越多。故采用傳統(tǒng)的硬件測試方法(如外探針測試法)來測試焊接上的器件，難度增大。而嵌入式邏輯分析儀的使用可以將高效的硬件測試手段和傳統(tǒng)的系統(tǒng)測試方法相結(jié)合，從而解決這些問題。嵌入式邏輯分析儀實(shí)現(xiàn)了硬件測試的軟件化，但它和驗(yàn)證邏輯正確性的軟件仿真又有所不同。它可以用來捕捉目標(biāo)芯片內(nèi)部信號(hào)節(jié)點(diǎn)處的信息，而又不影響原硬件系統(tǒng)的正常工作，具有無干擾、便于升級(jí)、使用簡單、價(jià)格低等特點(diǎn)。

1 SignalTap II原理及工作流程
SignalTap II邏輯分析儀是Quartus II軟件中第二代系統(tǒng)級(jí)調(diào)試工具。它是一種基于邏輯分析核的嵌入式邏輯分析儀，不僅具備普通邏輯分析儀的觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能，還可訪問FPGA器件內(nèi)部的所有信號(hào)和節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中觀察硬件和軟件的交互作用。SignalTap II專用于Quartus II軟件，與其他嵌入式邏輯分析儀相比，它支持的通道數(shù)最多，抽樣深度最大，時(shí)鐘速率最高。目前SignalTap II邏輯分析儀支持的器件系列包括：Cyclone、Cyclone II、Cyclone III、APEXT II、APEX 20KE、APEX20KC、APEX20K、Excalibur、Mercury、Stratix GX、Stratix、Stratix II、Stratix III等。
SignalTap II的工作流程如圖1所示。在FPGA運(yùn)行過程中，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)SignalTap II將啟動(dòng)采樣過程并將數(shù)據(jù)暫存于目標(biāo)器件中的嵌入式RAM(如ESB、M4K)中，采樣數(shù)據(jù)不斷刷新片內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)容，然后通過器件的JTAG端口將捕獲到的信號(hào)數(shù)據(jù)傳出，送入計(jì)算機(jī)Quartus II開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行顯示和分析。這樣開發(fā)者可以在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中以系統(tǒng)級(jí)的速度來觀察硬件和軟件的交互作用。此外，SignalTap II允許對(duì)設(shè)計(jì)中的所有層次的模塊的信號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試，可以使用多時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，而且還能通過設(shè)置以確定前后觸發(fā)捕捉信號(hào)信息的比例。

2 STP文件的參數(shù)設(shè)置
在圖1所示的SignalTap II工作流程中，STP文件的參數(shù)設(shè)置是否恰當(dāng)將直接影響采樣與分析結(jié)果的好壞，故它在整個(gè)流程中是極其重要的。STP文件的參數(shù)設(shè)置主要包括以下幾個(gè)方面：
①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信號(hào)的最高頻率，否則無法正確反映被測信號(hào)波形的變化。SignalTap II在時(shí)鐘的上升沿采樣，可以使用設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的任何信號(hào)作為采樣時(shí)鐘，根據(jù)Altera公司的建議最好使用同步系統(tǒng)全局時(shí)鐘
作為采樣時(shí)鐘。但是在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)使用獨(dú)立的采樣時(shí)鐘，這樣能采樣到被測系統(tǒng)中的慢速信號(hào)，故需將系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻。
②設(shè)置被測信號(hào)?？梢栽贜ode Finder窗口進(jìn)行選擇，添加要觀察的信號(hào)。
③配置采樣深度，確定RAM的大小。采樣深度決定了待測信號(hào)采樣存儲(chǔ)的大小，它是根據(jù)設(shè)計(jì)中剩余的RAM塊容量和待測信號(hào)的個(gè)數(shù)決定的。待測信號(hào)個(gè)數(shù)的增減和采樣深度的深淺會(huì)直接改變RAM塊的占用情況，采樣深度的范圍為0～128 KB。SignalTap II所能顯示的被測信號(hào)波形的時(shí)間長度為Tx=N×Ts，其中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。
④設(shè)置buffer acquisition mode。buffer acquisitionmode包括循環(huán)采樣存儲(chǔ)、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)，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)。該功能可以去掉無關(guān)的數(shù)據(jù)，使采樣緩存的使用更加靈活。通常選擇循環(huán)采樣存儲(chǔ)，需要設(shè)置觸發(fā)位置。觸發(fā)位置允許指定在選定實(shí)例中在觸發(fā)器之前和觸發(fā)器之后應(yīng)采集的數(shù)據(jù)量。Pre trigger position表示采樣到的數(shù)據(jù)12％為觸發(fā)前，88％為觸發(fā)后；Center trigger position表示采樣的數(shù)據(jù)處于觸發(fā)前后各一半；Post trigger position表示采樣到的數(shù)據(jù)88％為觸發(fā)前，12％為觸發(fā)后；Continuous triggerposilion表示以環(huán)形緩沖的方式進(jìn)行連續(xù)采樣保存，直到用戶中斷為止。
⑤觸發(fā)級(jí)別。SignalTap II支持多觸發(fā)級(jí)的觸發(fā)方式，最多可支持10級(jí)觸發(fā)，為設(shè)置復(fù)雜的觸發(fā)條件提供了足夠的靈活性，幫助驗(yàn)證檢錯(cuò)。如果設(shè)置了多觸發(fā)級(jí)別，直到所有的觸發(fā)條件順序滿足后，才開始采集數(shù)據(jù)。
⑥觸發(fā)條件。設(shè)定約束性的觸發(fā)條件?？梢栽O(shè)定單個(gè)信號(hào)的獨(dú)立觸發(fā)條件，直接采用單個(gè)外部或設(shè)計(jì)模塊內(nèi)部的信號(hào)；也可以允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的組合復(fù)雜觸發(fā)條件構(gòu)成觸發(fā)函數(shù)的觸發(fā)條件方程，以協(xié)助調(diào)試工作。當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)，在SignalTap II時(shí)鐘的上升沿采樣被測信號(hào)。例如，使能信號(hào)EN與RST相與后觸發(fā)，觸發(fā)條件=ENARST。
當(dāng)完成以上設(shè)置后，重新編譯工程并將該設(shè)計(jì)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，并進(jìn)行相關(guān)分析，完成系統(tǒng)測試。