FPGA如何进行片上调试？

▲zynq芯片

对于FPGA来说，仿真毕竟是仿真，可以理解为理想条件，而最终我们的代码是需要运行在实际的FPGA芯片硬件上的。

所以也会遇到仿真正常，实际下载到板子里不正常的情况。这种现象有两种原因：程序有BUG、硬件有问题。比如，实际程序中复位信号是低电平复位，而实际电路中设计的复位按键按下才是高电平，这样按键未按下就会导致程序一直处于复位状态。

当然，这只是一种最简单的问题点，实际开发过程中，仿真与实际运行不匹配的情况还有很多。那么如何才能以最快的速度找到问题点呢？

早期的FPGA调试方法通常使用逻辑分析仪，连接到FPGA芯片的外部管脚上，如果想查看内部信号，还需要把这些信号定义成Output引出到外部管脚进行了测量，如果是多位数据，这样就会占用大量的管脚，但是此类工具有个优点就是支持多种协议解析，可以非常方便的查看协议的报文数据。

▲DSLogic IIC解析

如果有一种工具能像单片机开发那样，通过调试器JTAG接口实时获取运行过程中寄存器的数值就好了。有需求就有市场，FPGA厂商也考虑到了开发者的这种需求，都在自家产品上加上了这个功能，那就是片上逻辑分析仪，就像在芯片内装了一个逻辑分析仪ELA（Embedded Logic Analyzer），可以实时监测数据的变化，还可以设置触发条件等！

FPGA领域几大厂家提供嵌入式逻辑分析仪：

• Intel（原Altera）的SignalTap工具
• AMD（原Xilinx）的ChipScope工具
• Microchip（原Microsemi）的Identify工具
• Lattice的Reveal工具

这些工具都是嵌入式逻辑分析仪，大大提高了Debug速度。这类工具的原理通常是以预先设定的时钟速率实时采样FPGA的内部信号，并暂存于FPGA的内部RAM中，当满足预设的触发条件后，通过JTAG将存储在片内RAM中的数据传输至PC上，PC接收到数据后，通过上位机把数据展现出来。

以下是使用ChipScope工具抓取的铁电存储器FM25V05的SPI写时序：

▲FM25V05写时序

从FPGA学习流程来看，当了解了流水灯、按键、UART等基本例程后，再学习I2C，SPI之前，就需要掌握片上逻辑分析仪的使用，非常有利于代码的调试。

▲ChipScopePro

我个人使用过Xilinx和Microsemi的工具，还是挺好用的。而本文主要介绍的是Xilinx ISE开发环境下ChipScope工具的使用。

二、Xilinx ChipScope简介

Xilinx的FPGA片内逻辑分析仪被称为ChipScope，通过插入IP核的方式实现，主要包括3大IP核。

• ICON

ICON（integrated controller），主要负责与JTAG口的通讯，最大支持连接15个Core，这里的Core可以是ILA或VIO。

• ILA

ILA（integrated logic analyzer），嵌入式逻辑分析仪，可以抓取内部的任何信号，通过设置触发条件的方式，抓取一段时间的波形，时间长度取决于FPGA RAM资源大小。

• VIO

VIO（virtual input/output），即输入输出，可以实时监控FPGA内部信号，并提供驱动信号给FPGA模块，类似于单片机调试中的变量值查看。

• ATC2

ATC2（Agilent trace core），是属于特殊定制的调试IP核，需要配合新一代的Agilent逻辑分析仪一起使用，这个很少使用。

下面这张图是来自Xilinx官方文档：chipscope_pro_sw_cores_ug029.pdf的一张图片，关于ChipScope官方的使用指南可以查看这篇文档，介绍了ChipScope工具的整体框图。

▲ChipScope系统框图

既然是逻辑分析仪，就要涉及到逻辑分析仪最重要的两个参数：采样频率和采样深度，ILA的采样频率取决于输入时钟信号的频率，采样深度取决于FPGA的RAM大小。

三、示例工程创建

下面以Xilinx Spartan-6 XC6SLX9为例，演示ChipScope的使用，ILA抓取cnt实时数据。VIO实现在上位机控制LED亮灭，或选择闪烁频率。led1通过VIO来选择4档闪烁频率，led2通过VIO给的触发信号上升沿进行翻转，led3与VIO输出高低保持一致。

首先创建一个基于XC6SLX9的ISE基本工程，并新建源文件。

以下代码还未添加ChipScope：

module top(
    //Inputs
    input clk,          //50MHz
    input rst_n,

    //Outputs
    output reg led1,        //通过VIO来选择4种闪烁频率
    output reg led2,        //通过VIO来控制
    output led3         //通过VIO来控制
);

wire [1:0] level;       //来自VIO
wire trig;              //来自VIO, 按键产生高脉冲信号
wire trig_rise = (trig_reg == 2'b01);

reg [1:0] trig_reg;
reg [26:0] cnt;         //在ILA中查看数据变化

always @ (posedge clk) begin
    if(!rst_n)
        trig_reg <= 'h0;
    else 
        trig_reg <= {trig_reg[0], trig};
end

always @ (posedge clk) begin
    if(!rst_n) 
        cnt <= 'd0;
    else 
        cnt <= cnt + 1;
end

always @ (posedge clk) begin
    if(!rst_n)
        led1 <= 'd0;
    else begin
        //level来自VIO
        case (level)
            0:  led1 <= cnt[26];
            1:  led1 <= cnt[25];
            2:  led1 <= cnt[24];
            3:  led1 <= cnt[23];
        endcase
    end
end

always @ (posedge clk) begin
    if(!rst_n)
        led2 <= 0;
    else if(trig_rise)      //trig上升沿翻转
        led2 <= !led2;
end

endmodule

四、添加ChipScope ICON IP核

添加一个IP核源文件，保存在chipscope文件夹下。

▲添加ICON

选择ICON IP核，以下添加VIO和ILA核是一样的操作。

▲选择ICON

添加之后进入配置界面，因为我们连接了ILA和VIO两个IP核，这里控制端口需要两个：

▲配置端口

查看例化模板：

icon YourInstanceName (
    .CONTROL0(CONTROL0), // INOUT BUS [35:0]
    .CONTROL1(CONTROL1) // INOUT BUS [35:0]
);

五、添加ChipScope ILA IP核

▲添加ILA

选择采样深度，数值越大，占用FPGA RAM资源越多，采样时间越长。

▲设置采样深度

选择采集通道，这里选择32个通道。

▲选择触发通道

等待生成完成，查看例化模板：

ila YourInstanceName (
    .CONTROL(CONTROL), // INOUT BUS [35:0]
    .CLK(CLK), // IN
    .TRIG0(TRIG0) // IN BUS [31:0]
);

六、添加ChipScope VIO IP核

同样的方式添加VIO核：

▲添加VIO

选择32路输入，用于监测cnt的值，4路输出，用于控制LED。

▲配置输入输出通道

设置为异步输入32位，输出4位。

七、将ChipScope的3个IP核添加到顶层模块

module top(
    //Inputs
    input clk,          //50MHz
    input rst_n,

    //Outputs
    output reg led1,        //通过VIO来选择4种闪烁频率
    output reg led2,        //通过VIO来控制
    output led3         //通过VIO来控制
);

wire [1:0] level;       //来自VIO
wire trig;              //来自VIO, 按键产生高脉冲信号
wire trig_rise = (trig_reg == 2'b01);

reg [1:0] trig_reg;
reg [26:0] cnt;         //在ILA中查看数据变化

always @ (posedge clk) begin
    if(!rst_n)
        trig_reg <= 'h0;
    else 
        trig_reg <= {trig_reg[0], trig};
end

always @ (posedge clk) begin
    if(!rst_n) 
        cnt <= 'd0;
    else 
        cnt <= cnt + 1;
end

always @ (posedge clk) begin
    if(!rst_n)
        led1 <= 'd0;
    else begin
        //level来自VIO
        case (level)
            0:  led1 <= cnt[26];
            1:  led1 <= cnt[25];
            2:  led1 <= cnt[24];
            3:  led1 <= cnt[23];
        endcase
    end
end

always @ (posedge clk) begin
    if(!rst_n)
        led2 <= 0;
    else if(trig_rise)      //trig上升沿翻转
        led2 <= !led2;
end

/* Xilinx ChipScope Config */

wire [35:0] CONTROL0;
wire [35:0] CONTROL1;
wire [31:0] TRIG0;
wire [31:0] ASYNC_IN;
wire [3:0] ASYNC_OUT;

assign ASYNC_IN[26:0] = cnt[26:0];

assign level = ASYNC_OUT[1:0];
assign trig  = ASYNC_OUT[2];
assign led3  = ASYNC_OUT[3];

assign TRIG0[26:0] = cnt[26:0];
assign TRIG0[28:27] = level[1:0];
assign TRIG0[29] = led1;
assign TRIG0[30] = led2;
assign TRIG0[31] = led3;

icon icon_ut0(
    .CONTROL0(CONTROL0[35:0]),
    .CONTROL1(CONTROL1[35:0])
);

ila ila_ut0(
    .CONTROL(CONTROL0[35:0]), 

    .CLK(clk), 
    .TRIG0(TRIG0[31:0])
);

vio vio_ut0(
    .CONTROL(CONTROL1[35:0]),

    .ASYNC_IN(ASYNC_IN[31:0]),
    .ASYNC_OUT(ASYNC_OUT[3:0])
);

endmodule

八、编译下载

管脚分配，编译通过，生成bit文件，打开ChipScope，下载bit文件。

▲ChipScope

下载Bit文件：

▲选择bit文件

对信号进行重新命名，设置触发信号，或者控制VIO输出状态。

▲设置触发方式

trig设置成PushButton类型，并设置为高脉冲。

led3设置成ToggleButton类型，即按一下状态翻转一次。

▲VIO配置

九、总结

单片机在线调试可以设置断点，让程序停下，FPGA只要时钟信号存在，就会一直运行下去，所以无法人为的设置断点，中止代码的运行。

任何事物都不可能达到十全十美，使用管脚外接的逻辑分析仪不会占用任何的逻辑资源，可以通过逻辑分析仪解析协议的报文，缺点是不能查看内部信号；使用片内逻辑分析仪的优点是可以实时查看内部信号，设置触发条件，缺点是会占用FPGA的逻辑资源，比如RAM等。

Xilinx新一代的集成开发工具Vivado最低支持Spartan-7系列的FPGA芯片，由于手头只有Spartan-6系列的开发板，所以无法演示在Vivado环境下的ChipScope使用，基本上都大同小异，使用方法类似，毕竟是同一家的调试工具。