【FPGA至简设计原理与应用】书籍连载05 第一篇 FPGA基础知识 第五章 在线逻辑分析仪

明德扬周老师

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《FPGA至简设计原理与应用》书籍连载索引目录
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第一篇 FPGA基础知识

   第五章 在线逻辑分析仪-SIGNALTAP


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1. 本章主要介绍在FPGA的开发过程中，在逻辑代码上板运行前都会进行仿真验证。本章主要介绍一个实时的信号分析工具获取FPGA内部的实时信号从而进行调试分析——SignalTap的工作原理、使用流程，并且通过3个案例又对SignalTap的使用步骤进行了详细说明。
2. ALTERA的文档


    进行FPGA开发的过程中，在逻辑代码上板运行前都会进行仿真验证，而EDA仿真工具（如Modelsim等）的使用更是可以可以让工程师提早发现工程中出现的一些错误。但这并不代表经过仿真工具验证后的设计就能够达到预期。事实上，在上板运行时仍有可能遇到各种各样的问题。使用仿真工具进行验证的时候所设计Testbench的激励输入有时不能囊括一切可能发生的情况，并且由于软件仿真与实际硬件之间总是存在着细微的差别，诸如此类的原因导致工程师在上板运行时仍会发现各种设计问题。而很多情况下，在 FPGA 实时运行中需要查看某些信号，因此需要一个实时的信号分析工具获取FPGA内部的实时信号从而进行调试分析——SignalTapII 应运而生。

    SignalTap是由Altera公司开发的一个在线、片内信号分析的工具，为设计开发者验证所用。其作用类似于一个数字逻辑分析仪，利用signaltap工具基本上可以代替数字逻辑分析仪。Signaltap是Quartus里最常用的工具，希望同学们可以熟练使用。

第1节 软件原理

    在使用SignalTap前先来理解一下SignalTap的原理，从而有助于理解各个参数。

图1.5- 1  SignalTap基本工作原理

   

    如图1.5- 1为SignalTap II的基本工作原理，通过此图可以直观的理解触发条件、采样时钟、采样深度等的概念（概念及相关设置见第三节）及其之间的关系。

    在调试过程中，某些需要观察分析的信号被称为“被测信号”，可以存在多个被测信号。SignalTap II的基本工作过程如下：以被测信号为对象，根据需要设置合理的触发条件，在触发条件（如图中的被测信号下降沿）满足时的前后一段时间，每个采样时钟的上升沿会对被测信号进行一次采集，并将采集的信号值存储在内部的RAM中。工程师可以指定触发条件前后采多少个样点，如果RAM比较大，则可以保存比较多的数据。反之，如果RAM比较小，那么保存的数据自然比较少，RAM大小决定了观察数据的多少。

    最后SignalTap将读出RAM中的数据并逐个在显示器中显示出来，因此SignalTap观测到的都是理想的，没有毛刺的信号，工程师可以在显示器中观测信号，从而达到对信号进行在线调试分析的目的。

第2节 软件界面

    打开Quartus软件，在菜单栏中，选择Tools>SignalTal II Logic Analyzer后可以打开SignalTap工具。如下图1.5- 2：

图1.5- 2  SignalTap II打开方式

图1.5- 3  SignalTap使用界面

笔者在图1.5- 3中将需要注明的地方进行了标记，接下来将对各处功能进行详细介绍：

图1.5-3中所标识的1—4为基本的软硬件配置：

1为下载线选择；2为硬件检测（识别相关的FPGA设备）；3为工程配置文件选择（sof文件）；4为加载sof文件（1-3均完成后即可加载文件）。

图示5—7为采样设置：

5为选择采样时钟，采样时钟要根据具体需要进行设置, 可以为模块的工作时钟，也可以为内部信号； 6为采样深度设置，采样深度并非越大越好，要根据分析需求进行合理设置；7为触发位置选择，包括前段触发、中间触发、后端触发三种方式，以触发点为参考，根据触发位置的不同能得到不同时间段的信号值。

图示左边区域 8—9为信号设置，包括添加信号，设置信号触发条件等。在8中空白处双击即可添加信号界面，根据需要添加工程中的相应信号，添加信号后即可设置其触发条件。

图中标识的10为资源使用情况指示，如果资源多于FPGA本身的资源，综合时会出现报错从而无法进行分析。

最上面的11为运行操作按钮，开始运行后，待触发条件满足后会显示波形。

第3节 使用流程

    首先需要选择下载线方式、FPGA芯片型号、工程配置文件，如下图1.5- 4所示。

图1.5- 4  基本配置选择

    随后设置采样时钟、采样深度以及采样信号。

图1.5- 5  采样设置

    图1.5- 5为采样时钟及采样深度的设置。此处选择FPGA内部pll锁相环输出的信号c1作为采样时钟。这里需要注意的是，采样时钟不一定是工程里的时钟，内部任何信号都是可以作为采样时钟的。这里将采样深度设置为128，即共计可以观察到到128个采样点的数据。在setup窗口中双击空白地方，弹出如下图1.5- 6所示界面。

图1.5- 6  采样信号的选取

    图1.5- 6中红色框表示的是选择哪一阶段的信号，例如选取的是综合前或是综合后的信号等。因为综合时软件会自动进行优化，有些信号可能会找不到。一般会选择pre-synthesis或Design Entry(all name)模式，在Nodes Found选择要观察的信号，将其添加到右边框中即可。

本例中选择key_col和rst_n信号来进行观察，如图1.5- 7所示：

图1.5- 7  选取好采样信号

    采样信号选择好后即可进行触发条件的设置。观察trigger Conditions一列，key_col的默认值为xh（总线型信号的don’t care），rst_n的默认值为don’t care。在trigger Conditions一列中右击rst_n所在的行，将会出现6种触发条件供工程师选择。

图1.5- 8  SignalTap中六种触发条件

    图1.5- 8中6种触发条件的含义如下：

Don’t Care：表示不关心，也即任意，此信号的值不影响触发条件；

Low：低电平触发；

FallingEdge：下降沿触发；

RisingEdge：上升沿触发；

High：高电平触发；

EitherEdge：双沿触发，即有变化时触发。

此处可以假定为上升沿触发，对key_col也进行触发条件的设置，具体设置如下所示。

图1.5- 9  设置上升沿触发

图1.5- 9中设置的触发条件含义为：当rst_n为上升沿并且key_col全为高（Fh）时触发。注意，这里多触发条件之间默认为“与”的关系，很多读者可能会误认为是“或”的关系。

最后进行综合并下载，点击“Run Analysis”按钮后查看结果。

如果触发条件成立，则可在Data窗口观察到采样波形，图1.5- 10是某一工程的采样结果，可以看到其采样波形与modelsim波形相似。点击波形后可以放大波形进行观看，右击波形则为缩小波形。

图1.5- 10  SignalTap采样信号波形

第4节 案例说明

本节中笔者将采用几个案例来对SignalTap的使用步骤进行详细的说明。

    案例1：

SignalTap的采样时钟不一定是时钟信号，也可以是其他任意的信号。SignalTap会在采样时钟的上升沿对信号值进行捕捉，如果没有时钟上升沿则SignalTap一直处于等待状态。

    案例2：

观测时可以改变采样的深度以便观察到信号更长时刻的值。图1.5- 11中设置的深度为128，这意味着一共可以观察到128个点的值。如果这一观察量不够则可以将其设置成更大的数值。但需要注意的是，SignalTap需要使用到FPGA内部的RAM资源来保存采样的数据，所以采样深度越大，需要使用的的RAM就越大，与此同时占用的FPGA资源也就更多。然而FPGA的资源是有限的，当FPGA的内部资源不支持设置采样点数所占用的RAM资源数时，在编译时会出现报错提示。

图1.5- 11  采样深度设置

    案例3：

通过设置segmented参数可以检查满足触发条件的次数。例如，发现按键存在失灵情况时，为了定位此问题需要检查按键按下的次数，判断其是否与捕捉到信号次数一致。该操作的主要设置如下：

1. 将segmented设置为32；

2. 将捕捉到信号key_vld拉到显示窗口，该信号为1表示捕捉到一个按键。

3. 设置触发条件为：key_vld的上升沿；

4. 按下run键，等待触发条件满足；

5. 按下按键4次。

6. 按停止捕捉键。

如果此时SignalTap波形界面出现5个窗口，其中前4个表示条件满足捕捉到key_vld的上升沿触发条件的窗口，则表示按下按键的次数与捕捉到的次数一致。否则代表发生错误，按键存在问题。

    案例4：

添加信号后，如界面中该信号显示为红色，如图1.5- 12所示，则表示该信号的捕捉存在问题。

图1.5- 12

采样信号为红色出现该问题的可能性原因有：

1.        该信号在电路综合时被优化。

a)        虽然该信号已经产生，但其没有被视为条件进行调用，或者不是输出信号。此时系统认为信号是多余的，因此在综合时会将该信号优化掉。

b)        如果该信号是有用信号，不应该被优化掉。则说明电路有BUG，需要工程师去定位错误。

2.        组合逻辑信号一般是捕捉不到的。其解决方法为忽略该信号，可以将产生该信号的所有条件都调用出来，从而推敲结果是否正确。

    案例5：

图1.5- 13中包含的一个案例触发条件是：当en为下降沿且en_tmp发生变化。注意，只有在采样时钟上升沿时捕捉到两个条件同时满足时才会进行触发。

图1.5- 13  触发条件设置

图1.5- 14  信号波形图

    图1.5- 14所示波形中，在第5时钟上升沿时观察到en等于1，en_tmp等于1，其不满足条件。而在第6时钟时捕获到en的下降沿（之前为1，现在为0）与en_tmp的下降沿（之前为1，现在为0），可以看出第6个时钟满足触发条件。

    在线逻辑分析仪是每个FPGA学习开发者必须熟练掌握的基本工具，是使用FPGA的必备能力之一。针对SignalTap的使用方法，下面链接中提供了6个训练工程，方便读者练习掌握这一工具。

工程训练网址：http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=279