基于邏輯分析內(nèi)核的FPGA電路內(nèi)調(diào)試

　　隨著FPGA融入越來(lái)越多的能力，對(duì)有效調(diào)試工具的需求將變得至關(guān)重要。對(duì)內(nèi)部可視能力的事前周密計(jì)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(jì)任務(wù)。

　　“我知道我的設(shè)計(jì)中存在一個(gè)問(wèn)題，但我沒(méi)有很快找到問(wèn)題所需要的內(nèi)部可視能力。”由于缺乏足夠的內(nèi)部可視能力，調(diào)試FPGA基系統(tǒng)可能會(huì)受挫。使用通常包含整個(gè)系統(tǒng)的較大FPGA時(shí)，調(diào)試的可視能力成為很大的問(wèn)題。為獲得內(nèi)部可視能力，設(shè)計(jì)工程師必須把一些引腳專門用作調(diào)試引腳，而不是實(shí)際用于設(shè)計(jì)。哪些工具可用于進(jìn)行內(nèi)部FPGA跡線測(cè)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(jì)工程師有兩種進(jìn)行內(nèi)部跡線測(cè)量的方法：

　　1. 把結(jié)點(diǎn)路由至引腳，使用傳統(tǒng)的外部邏輯分析儀測(cè)試。

　　2. 把一個(gè)邏輯分析儀內(nèi)核插入FPGA 設(shè)計(jì)，通過(guò)JTAG把由內(nèi)部FPGA存儲(chǔ)器保存的跡線捕獲路由輸出。

　　邏輯分析

　　FPGA開(kāi)發(fā)者要在設(shè)計(jì)前期作出重要的判定，他們有意識(shí)或無(wú)意識(shí)地確定如何能夠調(diào)試他們的設(shè)計(jì)。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(diǎn)路由至分析儀探測(cè)的引腳。這種方法提供深存儲(chǔ)器跡線，在這里問(wèn)題成因和其影響可能有很大的時(shí)間間隔。邏輯分析儀能很好測(cè)量可能逃逸仿真的異步事件。一個(gè)例子是具有非相關(guān)頻率的兩個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘域交互影響。邏輯分析儀提供強(qiáng)大的觸發(fā)，所得到的測(cè)量結(jié)果能建立與其它系統(tǒng)事件的時(shí)間相關(guān)。

　　傳統(tǒng)邏輯分析儀提供狀態(tài)和定時(shí)模式，因此可同步或異步地捕獲數(shù)據(jù)。在定時(shí)模式，設(shè)計(jì)工程師能看到信號(hào)躍變間的關(guān)系。在狀態(tài)模式，設(shè)計(jì)工程師有能力觀察相對(duì)于狀態(tài)時(shí)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(shí)，狀態(tài)模式是特別有用的。

　　有效的真實(shí)世界測(cè)量需要事先周密的計(jì)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(diǎn)路由輸出至可探測(cè)的引腳。傳統(tǒng)邏輯分析儀只能觀察到路由至引腳的信號(hào)。由于還不知道潛在的電路內(nèi)調(diào)試問(wèn)題，設(shè)計(jì)工程師只能把很少幾個(gè)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(wèn)題的足夠可視能力，從而延誤項(xiàng)目的完成。

　　保持內(nèi)部可視能力，同時(shí)減少專用于調(diào)試引腳數(shù)的一種方法是在設(shè)計(jì)中插入開(kāi)關(guān)多路轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖1)。例如當(dāng) FPGA 設(shè)計(jì)進(jìn)入電路時(shí)，可能需要觀察128個(gè)內(nèi)部結(jié)點(diǎn)，這就需要一次跟蹤32個(gè)通道。在這種情況下，可在FPGA設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)多路轉(zhuǎn)換器，在給定時(shí)間內(nèi)路由出32個(gè)結(jié)點(diǎn)。為編程多路轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)工程師可下載新的配置文件，使用JTAG或通過(guò)多路轉(zhuǎn)換器上的控制線經(jīng)路由切換各信號(hào)。在設(shè)計(jì)階段，必須仔細(xì)規(guī)劃測(cè)試多路轉(zhuǎn)換器插入。否則設(shè)計(jì)工程師可能止步于不能同時(shí)訪問(wèn)需要調(diào)試的結(jié)點(diǎn)。

圖1: 測(cè)試多路轉(zhuǎn)換器的插 入使設(shè)計(jì)工程師有能力路由出內(nèi) 部信號(hào)的子集，圖中為Agilent 16702B所捕獲的跡線。

　　最小化調(diào)試專用引腳數(shù)的第二種方法是時(shí)分復(fù)用(TDM)。TDM復(fù)用常用于設(shè)計(jì)原型，此時(shí)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(xiàng)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(jì)(時(shí)鐘沿間為20ns)需要電路內(nèi)的可視能力。使用100MHz在第一個(gè)10ns期間采樣低4bit，在第二個(gè)10ns期間采樣高4位。這樣僅用4個(gè)引腳，就可在每個(gè)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(diǎn)。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(cuò)。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(gè)4位是 8位組的開(kāi)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(shí)得到的測(cè)量結(jié)果有精確的周期。但設(shè)計(jì)工程師卻丟失了時(shí)鐘周期間的定時(shí)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(yùn)行于高達(dá)100 MHz，那么可實(shí)現(xiàn)的最大壓縮比是2:1。

　　隨著給定FPGA設(shè)計(jì)的成熟，它可能會(huì)增強(qiáng)和改變。原來(lái)專門用于調(diào)試的引腳會(huì)被用于設(shè)計(jì)增強(qiáng)。或開(kāi)始就限制了設(shè)計(jì)的引腳。另一種調(diào)試技術(shù)為這類情況帶來(lái)價(jià)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(jiàn)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(cè)量和內(nèi)部RAM，以保存跡線的資源。插入設(shè)計(jì)的邏輯分析內(nèi)核改變了設(shè)計(jì)的定時(shí)，因此大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師都把內(nèi)核永久性地留在設(shè)計(jì)內(nèi)。

圖2: 從 JTAG 下載邏輯分析儀的配置， 圖中的例子是 Xilinx ChipScopePro。

　　對(duì)于電路內(nèi)配置，可通過(guò)JTAG訪問(wèn)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(guò)10%的資源，設(shè)計(jì)工程師在使用這種方法時(shí)將會(huì)遇到很多問(wèn)題。

　　邏輯分析內(nèi)核有三項(xiàng)主要優(yōu)點(diǎn)。

　　1. 它們的使用不增加引腳?？赏ㄟ^(guò)FPGA 上已有的專門JTAG引腳訪問(wèn)。即使沒(méi)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(jiǎn)單的探測(cè)。探測(cè)包括把結(jié)點(diǎn)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(hào)完整性問(wèn)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(jià)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(jià)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(chǔ)器用于跡線，使跡線深度很淺。

　　2. 設(shè)計(jì)工程師必須放棄把內(nèi)部存儲(chǔ)器用于調(diào)試，存儲(chǔ)器會(huì)由所作的設(shè)計(jì)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(shí)鐘同步，而不能提供信號(hào)定時(shí)關(guān)系。

　　混合技術(shù)

　　一些FPGA廠商已開(kāi)始與傳統(tǒng)邏輯分析儀廠商聯(lián)合開(kāi)發(fā)組合技術(shù)(見(jiàn)圖 3)。例如Agilent 和 Xilinx 最近聯(lián)合為Xilinx的ChipScope開(kāi)發(fā)2M狀態(tài)深存儲(chǔ)器。

圖3: 混合內(nèi)部和傳統(tǒng)邏輯分析的第 一個(gè)例子是Agilent 和 Xilinx聯(lián) 合為ChipScopePro開(kāi)發(fā)的深存儲(chǔ)器 ，通過(guò)TDM復(fù)用能把引腳數(shù)減到最少。

　　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(shí)，內(nèi)核把跡線信息從經(jīng)路由的結(jié)點(diǎn)傳送到內(nèi)核，再送到引腳。引腳通過(guò)mictor連接器接到一個(gè)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(chǔ)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(shí)，事先考慮一些因素將能幫助您作出決定。下面這幾個(gè)問(wèn)題能幫助您確定哪種方案最為有效。

　　1. 您預(yù)計(jì)會(huì)遇到哪種類型的調(diào)試問(wèn)題？用內(nèi)部邏輯分析儀能找到較簡(jiǎn)單的問(wèn)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(shí)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(dá)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(jià)為$6K，但內(nèi)部邏輯分析儀及相隨波形觀察器的起價(jià)還不到$1K。

　　6. 研制組能容忍對(duì)FPGA設(shè)計(jì)的沖擊嗎？?jī)?nèi)核只能在大的 FPGA上工作，并會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)的定時(shí)。對(duì)所有尺寸和類型的FPGA，傳統(tǒng)邏輯分析儀的路由信號(hào)輸出對(duì)設(shè)計(jì)和工作的影響甚微。