基于邏輯分析內(nèi)核的FPGA電路內(nèi)調(diào)試
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隨著FPGA融入越來越多的能力，對有效調(diào)試工具的需求將變得至關(guān)重要。對內(nèi)部可視能力的事前周密計劃將能使研制組采用正確的調(diào)試戰(zhàn)略，以更快完成他們的設(shè)計任務(wù)。
“我知道我的設(shè)計中存在一個問題，但我沒有很快找到問題所需要的內(nèi)部可視能力?！庇捎谌狈ψ銐虻膬?nèi)部可視能力，調(diào)試FPGA基系統(tǒng)可能會受挫。使用通常包含整個系統(tǒng)的較大FPGA時，調(diào)試的可視能力成為很大的問題。為獲得內(nèi)部可視能力，設(shè)計工程師必須把一些引腳專門用作調(diào)試引腳，而不是實際用于設(shè)計。哪些工具可用于進行內(nèi)部FPGA跡線測量？又有哪些技術(shù)可用固定的引腳數(shù)最大化內(nèi)部可視能力？
FPGA設(shè)計工程師有兩種進行內(nèi)部跡線測量的方法：
1. 把結(jié)點路由至引腳，使用傳統(tǒng)的外部邏輯分析儀測試。
2. 把一個邏輯分析儀內(nèi)核插入FPGA 設(shè)計，通過JTAG把由內(nèi)部FPGA存儲器保存的跡線捕獲路由輸出。
邏輯分析
FPGA開發(fā)者要在設(shè)計前期作出重要的判定，他們有意識或無意識地確定如何能夠調(diào)試他們的設(shè)計。得到內(nèi)部FPGA可視能力的最常用方法是使用邏輯分析儀，把感興趣的內(nèi)部結(jié)點路由至分析儀探測的引腳。這種方法提供深存儲器跡線，在這里問題成因和其影響可能有很大的時間間隔。邏輯分析儀能很好測量可能逃逸仿真的異步事件。一個例子是具有非相關(guān)頻率的兩個或多個時鐘域交互影響。邏輯分析儀提供強大的觸發(fā)，所得到的測量結(jié)果能建立與其它系統(tǒng)事件的時間相關(guān)。
傳統(tǒng)邏輯分析儀提供狀態(tài)和定時模式，因此可同步或異步地捕獲數(shù)據(jù)。在定時模式，設(shè)計工程師能看到信號躍變間的關(guān)系。在狀態(tài)模式，設(shè)計工程師有能力觀察相對于狀態(tài)時鐘的總線。當(dāng)調(diào)試總線值至關(guān)重要的數(shù)據(jù)路徑時，狀態(tài)模式是特別有用的。
有效的真實世界測量需要事先周密的計劃。使用傳統(tǒng)邏輯分析儀要顧及的主要權(quán)衡是把結(jié)點路由輸出至可探測的引腳。傳統(tǒng)邏輯分析儀只能觀察到路由至引腳的信號。由于還不知道潛在的電路內(nèi)調(diào)試問題，設(shè)計工程師只能把很少幾個引腳用于調(diào)試。這樣少的引腳數(shù)可能不足以提供解決手頭問題的足夠可視能力，從而延誤項目的完成。
保持內(nèi)部可視能力，同時減少專用于調(diào)試引腳數(shù)的一種方法是在設(shè)計中插入開關(guān)多路轉(zhuǎn)換器(見圖1)。例如當(dāng) FPGA 設(shè)計進入電路時，可能需要觀察128個內(nèi)部結(jié)點，這就需要一次跟蹤32個通道。在這種情況下，可在FPGA設(shè)計中實現(xiàn)多路轉(zhuǎn)換器，在給定時間內(nèi)路由出32個結(jié)點。為編程多路轉(zhuǎn)換器，設(shè)計工程師可下載新的配置文件，使用JTAG或通過多路轉(zhuǎn)換器上的控制線經(jīng)路由切換各信號。在設(shè)計階段，必須仔細規(guī)劃測試多路轉(zhuǎn)換器插入。否則設(shè)計工程師可能止步于不能同時訪問需要調(diào)試的結(jié)點。
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圖1: 測試多路轉(zhuǎn)換器的插 |
最小化調(diào)試專用引腳數(shù)的第二種方法是時分復(fù)用(TDM)。TDM復(fù)用常用于設(shè)計原型，此時把多片F(xiàn)PGA 作為單片ASIC的原型，從而用于最小化調(diào)試專用引腳數(shù)。這項技術(shù)最適合用于處理較慢的內(nèi)部電路。假定使用8位總線的50MHz設(shè)計(時鐘沿間為20ns)需要電路內(nèi)的可視能力。使用100MHz在第一個10ns期間采樣低4bit，在第二個10ns期間采樣高4位。這樣僅用4個引腳，就可在每個20ns周期內(nèi)捕獲到全部8位的調(diào)試信息。在捕獲跡線后，組合相繼的4位捕獲就可重建8位跡線。TDM復(fù)用也有一些缺點。如果用傳統(tǒng)邏輯分析儀捕獲跡線，觸發(fā)就變得非常復(fù)雜和容易出錯。例如在8位碼型上的觸發(fā)就包括把邏輯分析儀設(shè)置到尋找跟隨規(guī)定4位碼型后的另一特定4位碼型。但邏輯分析儀不知道哪一個4位是 8位組的開始，因此要在與觸發(fā)設(shè)置相匹配的條件上觸發(fā)-而不是使用者所中意的觸發(fā)條件。
采用TDM復(fù)用時得到的測量結(jié)果有精確的周期。但設(shè)計工程師卻丟失了時鐘周期間的定時關(guān)系信息。通常單端引腳的速度和邏輯分析儀收集跡線的采集速度(狀態(tài)模式)限制了壓縮比。例如如果最大單端引腳速度是200MHz，內(nèi)部電路運行于高達100 MHz，那么可實現(xiàn)的最大壓縮比是2:1。
隨著給定FPGA設(shè)計的成熟，它可能會增強和改變。原來專門用于調(diào)試的引腳會被用于設(shè)計增強。或開始就限制了設(shè)計的引腳。另一種調(diào)試技術(shù)為這類情況帶來價值。
邏輯分析內(nèi)核
現(xiàn)在大多數(shù)FPGA 廠商也提供邏輯分析(見圖2)。這些 IP在合成前或合成后插入FPGA。內(nèi)核包含觸發(fā)電路，以及用于設(shè)置測量和內(nèi)部RAM，以保存跡線的資源。插入設(shè)計的邏輯分析內(nèi)核改變了設(shè)計的定時，因此大多數(shù)設(shè)計工程師都把內(nèi)核永久性地留在設(shè)計內(nèi)。
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圖2: 從 JTAG 下載邏輯分析儀的配置， |
對于電路內(nèi)配置，可通過JTAG訪問內(nèi)核，以及為觀察而把捕獲數(shù)據(jù)傳送到PC。如果內(nèi)核消耗不到5%的可用資源，F(xiàn)PGA 內(nèi)核就能充分發(fā)揮作用。如果 FPGA的尺寸使內(nèi)核要消耗超過10%的資源，設(shè)計工程師在使用這種方法時將會遇到很多問題。
邏輯分析內(nèi)核有三項主要優(yōu)點。
1. 它們的使用不增加引腳。可通過FPGA 上已有的專門JTAG引腳訪問。即使沒有其它可用引腳，這種調(diào)試方法也能得到內(nèi)部可視能力。
2. 簡單的探測。探測包括把結(jié)點路由到內(nèi)部邏輯分析儀的輸入。不需要擔(dān)心為得到有效信息，應(yīng)如何連接到電路板上，也不存在信號完整性問題。
3. 邏輯分析內(nèi)核是便宜的。FPGA廠商把他們的業(yè)務(wù)模型建立于用硅片所獲取價值的基礎(chǔ)上。所以所用的調(diào)試IP 通常能以低于$1,000美元的價格獲得。
使用內(nèi)部邏輯分析內(nèi)核也有三方面的影響。
1. 內(nèi)核的尺寸限制了在大FPGA中的使用。此外由于內(nèi)部FPGA存儲器用于跡線，使跡線深度很淺。
2. 設(shè)計工程師必須放棄把內(nèi)部存儲器用于調(diào)試，存儲器會由所作的設(shè)計使用。
3. 內(nèi)部邏輯分析儀只工作于狀態(tài)模式。它們捕獲的數(shù)據(jù)與規(guī)定的時鐘同步，而不能提供信號定時關(guān)系。
混合技術(shù)
一些FPGA廠商已開始與傳統(tǒng)邏輯分析儀廠商聯(lián)合開發(fā)組合技術(shù)(見圖 3)。例如Agilent 和 Xilinx 最近聯(lián)合為Xilinx的ChipScope開發(fā)2M狀態(tài)深存儲器。
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圖3: 混合內(nèi)部和傳統(tǒng)邏輯分析的第 |
這一解決方案把內(nèi)部邏輯分析內(nèi)核用于觸發(fā)。在滿足內(nèi)核的觸發(fā)條件時，內(nèi)核把跡線信息從經(jīng)路由的結(jié)點傳送到內(nèi)核，再送到引腳。引腳通過mictor連接器接到一個小的外部跟蹤盒。該解決方案融入了TDM復(fù)用，以減少調(diào)試專用引腳數(shù)。根據(jù)內(nèi)部電路的速度，復(fù)用壓縮可能是1:1，2:1或4:1。由于跡線未在內(nèi)部保存，因此IP內(nèi)核要小于帶跡線存儲器的邏輯分析IP。
如何作出決定？
傳統(tǒng)邏輯分析和基于內(nèi)核的邏輯分析技術(shù)都很有用。在選擇最適合您調(diào)試需要的方案時，事先考慮一些因素將能幫助您作出決定。下面這幾個問題能幫助您確定哪種方案最為有效。
1. 您預(yù)計會遇到哪種類型的調(diào)試問題？用內(nèi)部邏輯分析儀能找到較簡單的問題，而傳統(tǒng)邏輯分析儀則能勝任復(fù)雜的故障。
2. 除了狀態(tài)模式外，您還需要捕獲定時信息嗎？如果需要，傳統(tǒng)邏輯分析儀能適應(yīng)這一要求。
3. 需要多深的跡線？傳統(tǒng)邏輯分析儀可在各通道上捕獲達64M的跡線，而內(nèi)部邏輯分析內(nèi)核更適合淺的跡線。
4. 有多少引腳可專門用于調(diào)試？引腳數(shù)越少，使用內(nèi)部邏輯分析儀就越適合。
5. 必須為新工具投入多少資金？雖然32通道傳統(tǒng)邏輯分析儀的起價為$6K，但內(nèi)部邏輯分析儀及相隨波形觀察器的起價還不到$1K。
6. 研制組能容忍對FPGA設(shè)計的沖擊嗎？內(nèi)核只能在大的 FPGA上工作，并會改變設(shè)計的定時。對所有尺寸和類型的FPGA，傳統(tǒng)邏輯分析儀的路由信號輸出對設(shè)計和工作的影響甚微。
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