簡化FPGA測試和調(diào)試

引言

　　隨著FPGA的設(shè)計速度、尺寸和復(fù)雜度明顯增長，使得整個設(shè)計流程中的驗證和調(diào)試成為當前FPGA系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。獲得FPGA內(nèi)部信號有限、FPGA封裝和印刷電路板(PCB)電氣噪聲，這一切使得設(shè)計調(diào)試和檢驗變成設(shè)計周期中最困難的流程。另一方面，幾乎當前所有的像CPU、DSP、ASIC等高速芯片的總線，除了提供高速并行總線接口外，正迅速的向高速串行接口的方向發(fā)展，F(xiàn)PGA也不例外，每一條物理鏈路的速度從600Mbps到高達10Gbps，高速IO的測試和驗證更成為傳統(tǒng)專注于FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計的設(shè)計人員面臨的巨大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)使設(shè)計人員非常容易會把絕大部分設(shè)計周期時間放在調(diào)試和檢驗設(shè)計上。

　　為幫助您完成設(shè)計調(diào)試和檢驗流程，它需要使用新的調(diào)試和測試工具，幫助調(diào)試設(shè)計，同時支持在FPGA上全速運行；高速信號完整性測試工具和方法也越來越多的在FPGA中體現(xiàn)出來。

　　本文根據(jù)當前FPGA的設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)分為2個部分，第一部分重點介紹在調(diào)試FPGA系統(tǒng)時遇到的問題及有助于提高調(diào)試效率的技術(shù);第二部分針對復(fù)雜FPGA中內(nèi)嵌的高速IO的信號完整性測試和分析，提供了最新的方法和工具。

FPGA設(shè)計流程概述

　　在FPGA系統(tǒng)設(shè)計完成前，有兩個不同的階段:設(shè)計階段，調(diào)試和檢驗階段(參見圖1)。設(shè)計階段的主要任務(wù)是輸入、仿真和實現(xiàn)。調(diào)試和檢驗階段的主要任務(wù)是檢驗設(shè)計，校正發(fā)現(xiàn)的任何錯誤。

圖1  FPGA設(shè)計流程圖

設(shè)計階段

　　在這一階段不僅要設(shè)計，而且要使用仿真工具開始調(diào)試。實踐證明，正確使用仿真為找到和校正設(shè)計錯誤提供了一條有效的途徑。但是，不應(yīng)依賴仿真作為調(diào)試FPGA設(shè)計的唯一工具，有許多問題僅僅通過仿真無能為力。

　　此外，還需要提前考慮調(diào)試和檢驗階段，規(guī)劃怎樣在線快速調(diào)試FPGA，這可以定義整體調(diào)試方法，幫助識別要求的任何測試測量工具，確定選擇的調(diào)試方法對電路板設(shè)計帶來的影響。針對可能選用的FPGA存在的高速總線，除了考慮邏輯時序的測試和驗證外，應(yīng)該充分考慮后面可能面臨的信號完整性測試和分析難題。

調(diào)試和檢驗階段

　　在調(diào)試階段，必需找到仿真沒有找到的棘手問題。怎樣以省時省力的方式完成這一工作是一個挑戰(zhàn)。

FPGA調(diào)試方法

　　在設(shè)計階段需要作出的關(guān)鍵選擇是使用哪種FPGA調(diào)試方法。在理想情況下，希望有一種方法可以移植到所有FPGA設(shè)計中，能夠洞察FPGA內(nèi)部運行和系統(tǒng)運行過程，為確定和分析棘手的問題提供相應(yīng)的處理能力?；驹诰€FPGA調(diào)試方法有兩種:使用嵌入式邏輯分析儀以及使用外部邏輯分析儀。選擇使用哪種方法取決于項目的調(diào)試需求。

嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核

　　主要FPGA廠商針對器件的在線調(diào)試都提供了嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核，如Altera的SignaiTap II和Xilinx的ChipScope ILA。這些知識產(chǎn)權(quán)模塊插入FPGA設(shè)計中，同時提供觸發(fā)功能和存儲功能。它們使用FPGA邏輯資源實現(xiàn)觸發(fā)電路，使用FPGA存儲模塊實現(xiàn)存儲功能。它們使用JTAG配置內(nèi)核操作。并用來把捕獲的數(shù)據(jù)傳送到PC上進行查看。由于嵌入式邏輯分析儀使用內(nèi)部FPGA資源，因此其通常用于大型FPGA電這些大型FPGA可以更好地消化插入內(nèi)核帶來的開銷。一般來說，用戶希望內(nèi)核占用的FPGA邏輯資源不超過可用資源的5%。與任何調(diào)試方法一樣，還要知道這種方法存在的部分矛盾。

針腳與內(nèi)部資源

　　嵌入邏輯分析儀內(nèi)核不使用額外的測試針腳，因為它通過現(xiàn)有的JTAG針腳訪問內(nèi)核。這意昧著即使設(shè)計受到FPGA針腳限制，您可以使用這種方法。矛盾在于，它使用的內(nèi)部FPGA邏輯資源和存儲模塊可以用來實現(xiàn)設(shè)計。此外，由于使用片內(nèi)內(nèi)存存儲捕獲的數(shù)據(jù)，因此內(nèi)存深度一般相對較淺。

探測與運行模式

　　嵌入式邏輯分析儀核心的探測非常簡單。它使用現(xiàn)有的JTAG針腳，因此不必擔心怎樣把外部邏輯分析儀連接到系統(tǒng)上。矛盾在于，盡管嵌入式邏輯分析儀可以查看FPGA操作，但沒有一種方式把這些信息與電路板級或系統(tǒng)級信息時間關(guān)聯(lián)起來。而把FPGA內(nèi)部的信號與FPGA外部的信號關(guān)聯(lián)起來對解決最棘手的調(diào)試挑戰(zhàn)至關(guān)重要。在分析方法上，嵌入式邏輯分析儀只能進行狀態(tài)分析。

成本與靈活性

　　大多數(shù)FPGA廠商提供了嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核，而其價格要低于全功能外部邏輯分析儀。雖然用戶希望更多的功能，但嵌入式邏輯分析儀內(nèi)核的功能無論從通用性，分析方式，觸發(fā)能力，還是從存儲和分析能力都弱于全功能外部邏輯分析儀，而用戶通常需要這些功能，來捕獲和分析棘手的調(diào)試挑戰(zhàn)。例如，嵌入式邏輯分析儀只能在狀態(tài)模式下操作，它們捕獲與FPGA設(shè)計中已有的指定時鐘同步的數(shù)據(jù)，因此不能提供精確的信號定時關(guān)系

外部邏輯分析儀

　　由于嵌入式邏輯分析儀方法存在的部分限制，許多FPGA設(shè)計人員已經(jīng)采用外部邏輯分析儀方法，來利用FPGA的靈活性和外部邏轄分析儀的處理能力，如泰克TLA系到邏輯分析儀。

　　在這種方法中，感興趣的內(nèi)部信號路由到FPGA沒有使用的針腳上，然后連接到邏輯分析儀上，這種方法提供了非常深的內(nèi)存，適合調(diào)試那種出現(xiàn)故障和實際導致該故障的原因在時間上相距很遠的問題;對于需要采集大量數(shù)據(jù)進行后期分析的設(shè)計人員也非常必要。另外它還可以把內(nèi)部FPGA信號與電路系統(tǒng)中的其它活動時間關(guān)聯(lián)起來。

　　與嵌入式邏輯分析儀方法一樣，也需要考慮許多矛盾。

針腳與內(nèi)部資源

　　外部邏輯分析儀方法采用非常少的邏輯資源，不使用FPGA內(nèi)存資源。它釋放了這些資源，來實現(xiàn)所需功能?，F(xiàn)在的矛盾在于，必需增加專用于調(diào)試的部分針腳數(shù)量，而很明顯，設(shè)計要使用這些針腳。

探測與工作模式

　　外部邏輯分析儀探測要比嵌入式邏輯分析儀方法要求的探測復(fù)雜一些。必需確定怎樣使用邏輯分析儀探頭探測FPGA內(nèi)部信號，而不能使用電路板上已有的JTAG連接器。最簡便的方式是在電路板中增加一個測試連接器，這可以簡便地把FPGA信號與系統(tǒng)中的其它信號關(guān)聯(lián)起來。{{分頁}}

成本與靈活性

　　盡管外部邏輯分析儀的購買價格確實要高于嵌入式邏輯分析儀，但使用外部邏輯分析儀可以解決更加廣泛的問題。邏輯分析儀不僅可以用于FPGA調(diào)試，還可以用來解決其他數(shù)字設(shè)計挑戰(zhàn)，它被公認為進行通用數(shù)字系統(tǒng)硬件調(diào)試的最佳工具。外部邏輯分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)更加靈活的采集模式和觸發(fā)功能。通過外部邏輯分析儀，可以設(shè)置最多16個不同的觸發(fā)狀態(tài)(每一個狀態(tài)含高16個條件判斷分支)，每一個通道提供256M的內(nèi)存，并且可以在定時分析模式下以高達125ps的分辨率(8GHz采樣)捕獲數(shù)據(jù)。

選擇合適的FPGA調(diào)試方法

　　這兩種方法都可以使用，采用哪種方法要視具體情況而定。挑戰(zhàn)在于確定哪種方法更適合您的設(shè)計，用戶可以問自己下面的問題:

預(yù)計有哪些問題?

　　如果您認為問題僅限于FPGA內(nèi)部的功能性問題，那么使用嵌入式邏輯分析儀可以提供要求的所有調(diào)試功能。但是，如果預(yù)計有更多的調(diào)試問題。要求檢驗定時余量、把內(nèi)部FPGA活動與電路板上的其它活動關(guān)聯(lián)起來、或要求更強大的觸發(fā)功能，那么使用外部邏輯分析儀更適合滿足調(diào)試需求。

　　當FPGA芯片針腳存在超過200M的高速總線，例如集成內(nèi)存控制器的DDRI、DDRII內(nèi)存總線，以及集成高SerDes的高速串行IO總線，信號完整性測試是保證設(shè)計成功的基礎(chǔ)。在本文的后半部分會介紹主流的測試工具和方法。

除狀態(tài)數(shù)據(jù)外，是否需要考察快速定時信息?

　　外部邏輯分析儀允許以高達125ps的分辨率(8GS/s采樣)查看FPGA信號詳細的定時關(guān)系，這有助于檢驗設(shè)計中實際發(fā)生的事件，檢驗設(shè)計的定時余量。嵌入式邏輯分析儀只能捕獲與FPGA中已有的指定時鐘同步的數(shù)據(jù)。

　　需要捕獲多深的數(shù)據(jù)?外部邏輯分析儀提供的采集內(nèi)存更深。一般在嵌入式邏輯分析儀中，最大取樣深度設(shè)為128Kb，這一數(shù)字受到器件限制。

　　而在外部邏輯分析儀中，可以捕獲最多256Mb樣點。這有助于查看和分析更多的問題及潛在原因，從而縮短調(diào)試時間。

設(shè)計中更多地受限于針腳還是受限于資源?

　　使用嵌入式邏輯分析儀不要求任何額外的輸出針腳，但必須使用內(nèi)部FPGA資源，實現(xiàn)邏輯分析儀功能。使用外部邏輯分析儀要求使用額外的輸出針腳，但使用內(nèi)部FPGA資源的需求達到最小(或消除了這種需求)。

FPGAView FPGA調(diào)試

　　FPGAView概述

　　外部邏輯分析儀方法有效利用FPGA的處理能力，并根據(jù)需要重新對設(shè)備配置，把感興趣的內(nèi)部信號路由到通常很少的針腳上。這是一種非常有用的方法，但它也有一定的局限性:

　　* 用戶每次需要查看一套不同的內(nèi)部信號時，都必需改變設(shè)計(在RTL級或使用FPGA編輯器工具)，把希望的信號組路由到調(diào)試針腳上。這不僅耗費時間，而且如果要求重新匯編設(shè)計，那么還會改變設(shè)計的定時，可能會隱藏需要解決的問題；

　　* 當更改FPGA內(nèi)部測試信號時，在外部邏輯分析儀上的被測信號名稱需要手工進行更新；

　　* 一般來說，調(diào)試針腳數(shù)量很少，內(nèi)部信號與調(diào)試針腳之間1:1的關(guān)系限制著設(shè)計查看能力和洞察力。

　　為克服這些局限性，出現(xiàn)了一種新的FPGA調(diào)試方法，它不僅提供了外部邏輯分析儀方法的所有優(yōu)勢，還消除了主要局限性。FPGAView軟件在與泰克TLA系列邏輯分析儀配套使用時，為調(diào)試FPGA和周邊硬件電路提供了一個完整的解決方案(參見圖2)。

 圖2 典型的FPGAView實現(xiàn)方案

　　這種組合可以:

　　* 時間關(guān)聯(lián)的查看FPGA內(nèi)部活動和外部活動；

　　* 迅速改變FPGA內(nèi)部探點，而無需重新匯編設(shè)計；

　　* 每個針腳監(jiān)測多個內(nèi)部信號；

　　* 在TLA邏輯分析儀上自動更新切換的內(nèi)部信號名稱。

　　此外，F(xiàn)PGAView可以在一臺設(shè)備中處理多個測試內(nèi)核(適合監(jiān)測不同的時鐘域)，并可以在一個JTAG鏈上處理多臺FPGA設(shè)備。

快速使用FPGAView

　　可以通過下面幾個簡單的步驟使用FPGAView:

　　第1步，在設(shè)計中配置和插入相應(yīng)的測試內(nèi)核(Configure and Insert)；

　　第2步，加載測試內(nèi)核信息(Load)；

　　第3步，建立FPGA針腳與TLA邏輯分析儀通道的對應(yīng)關(guān)系(Mapping)；

　　第4步，進行測量(Run)。

　　第一步是配置測試內(nèi)核，把它插入到FPGA設(shè)計中。例如，在使用ALtera設(shè)備時，可以使用Altera的邏輯分析儀接口編輯器，創(chuàng)建最
　　適合自己需求的測試核(參見圖3)。

 圖3 使用(邏輯分析儀節(jié)口編輯器)定義和插入內(nèi)核的實例

　　對大多數(shù)測試內(nèi)核，可以指定下述參數(shù):

　　Pin Count(針腳數(shù)量):表示希望專用于邏輯分析儀接口的針腳數(shù)量。

　　Bank Count(組數(shù)):表示希望映射到每個針腳上的內(nèi)部信號數(shù)量。

　　Output/Capture Mode(輸出/捕獲模式):選擇希望執(zhí)行的采集類型?？梢赃x擇Combination/Timing(組合邏輯/定時模式)或Registered/State(寄存器/狀態(tài)模式)。

　　Clock(時鐘):如果用戶選擇了Registered/State(寄存器/狀態(tài))的捕獲模式，這一選項允許選擇測試內(nèi)核的取樣時鐘。

　　Power-Up State(通電狀態(tài)):這個參數(shù)允許指明指定用于邏輯分析儀接口的針腳的通電狀態(tài)。

　　從FPGAView軟件窗口中，可以與JTAG編程電纜建立連接，并且連接到TLA系列邏輯分析儀(TLA邏輯分析儀使用windows平臺)或PC工作站上。{{分頁}}

　　在使用ALTERA FPGA芯片時，按Open(打開)工具條按鈕，調(diào)出一個文件瀏覽器，選擇Quartus II LAI Editor軟件以前生成的邏輯分析儀接口(LAI)文件。這樣就加載了與LAI核心有關(guān)的所有信息電包括每一組的信號數(shù)量、組數(shù)和信號名稱，另外如果設(shè)備中的LAI內(nèi)核多于一個，那么還包括每個LAI內(nèi)核的信息。

　　下一步是映射FPGA針腳和TLA邏輯分析儀探頭之間的物理連接，F(xiàn)PGAView可以自動更新邏輯分析儀上顯示的信號名稱，與測試內(nèi)核當前監(jiān)測的信號相匹配。

　　為此，簡單地點擊Probes(探頭)按鈕，將出現(xiàn)一個拖放窗口，把測試內(nèi)核輸出信號名稱與邏輯分析儀上的相應(yīng)通道連接起來(參見圖4)。對某條目標連接，這個通道分配過程只需一次。

 圖4  FPGAView迅速簡便地映射針腳

　　使用Bank(組)列表下拉菜單，選擇想要測量的組。一旦選擇了組，F(xiàn)PGAView會通過JTAG接口與FPGA通信并配置測試內(nèi)核，以便選擇希望的組。

　　FPGAView還將這些通道名稱通過對TLA系列邏輯分析儀的控制進行自動分配，從而可以簡便地理解測量結(jié)果。為測量不同的一套內(nèi)部信號，用戶只需選擇不同的信號組(參見圖5)。全功能TLA系列邏輯分析儀會自動把這些FPGA信號與系統(tǒng)中的其它信號關(guān)聯(lián)起來(參見圖6)。

 圖5  選擇希望測量的信號組

 圖6  TLA系列邏輯分析儀自動完成和簡化了許多測量

　　在TLA邏輯分析儀中，針對設(shè)計人員關(guān)心的各種時間信息，提供了業(yè)內(nèi)獨有的定時參數(shù)自動測量功能，通過鼠標簡單的拖放操作，能夠得到周期，頻率，占空比，脈沖寬度，通道一通道延遲，邊沿計數(shù)，周期計數(shù)，違規(guī)計數(shù)，周期抖動，以及周期間抖動等信息。

高速FPGA的信號完整性測試和分析

　　當前流行的FPGA芯片都提供高速總線，例如DDR內(nèi)存總線，PCI-X總線、SPI總線;針對超高速的數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)PGA通過集成SerDes提供高速串行I0，支持各種諸如PCI-E、GBE、XAUI等高速串行總線協(xié)議，為各種不同標準的高速傳輸提供極大的靈活性。

高速串行總線眼圖測試

　　對于采用內(nèi)嵌SERDES電路的FPGA芯片，其高速串行信號進行測試和驗證，最基本的工具是通過示波器進行對其眼圖測試。因為眼圖能夠非常直觀的反映一條被測信號路徑上的整體信號質(zhì)量問題，包括信號的抖動量大小(眼寬)以及幅度的大小(眼高)等重要信息。圖7是一個高速數(shù)據(jù)信號的眼圖形成的過程。

 圖7  眼圖的形成過程

　　從眼圖的形成過程可以看出，一個NRZ編碼的高速數(shù)據(jù)無論傳輸何種碼流，都可以看一個重復(fù)信號，經(jīng)過一定時間和樣本數(shù)的累計，它反映整個傳輸通路上的信號質(zhì)量。

示波器的帶寬要求

　　示波器進行高速總線測試啕帶寬是對示波器的基本要求。以一個NRZ編碼的高速串行總線為例，它理想的波形是一個方波信號，方波信號是由它的基波(正弦波)和奇次諧波(3次，5次，7次)組成。根據(jù)信號的傳輸速率和上升時間時間，選擇盡量高帶寬和最快上升時間的示波器，這樣測試結(jié)果保留更多的諧波分量，構(gòu)建高精度的眼圖測試結(jié)果。

　　示波器帶寬反映了對被測信號幅度上的衰減，而示波器上升時間決定了對被測信號上升時間測試的誤差。經(jīng)典的示波器帶寬和上升時間的關(guān)系為:帶寬