基于逻辑分析内核的FPGA电路内调试技术

随着FPGA融入越来越多的能力，对有效调试工具的需求将变得至关重要。对内部可视能力的事前周密计划将能使研制组采用正确的调试战略，以更快完成他们的设计任务。

“我知道我的设计中存在一个问题，但我没有很快找到问题所需要的内部可视能力。”由于缺乏足够的内部可视能力，调试FPGA基系统可能会受挫。使用通常包含整个系统的较大FPGA时，调试的可视能力成为很大的问题。为获得内部可视能力，设计工程师必须把一些引脚专门用作调试引脚，而不是实际用于设计。哪些工具可用于进行内部FPGA迹线测量？又有哪些技术可用固定的引脚数最大化内部可视能力？

FPGA设计工程师有两种进行内部迹线测量的方法：

1. 把结点路由至引脚，使用传统的外部逻辑分析仪测试。

2. 把一个逻辑分析仪内核插入FPGA 设计，通过JTAG把由内部FPGA存储器保存的迹线捕获路由输出。

逻辑分析

FPGA开发者要在设计前期作出重要的判定，他们有意识或无意识地确定如何能够调试他们的设计。得到内部FPGA可视能力的最常用方法是使用逻辑分析仪，把感兴趣的内部结点路由至分析仪探测的引脚。这种方法提供深存储器迹线，在这里问题成因和其影响可能有很大的时间间隔。逻辑分析仪能很好测量可能逃逸仿真的异步事件。一个例子是具有非相关频率的两个或多个时钟域交互影响。逻辑分析仪提供强大的触发，所得到的测量结果能建立与其它系统事件的时间相关。

传统逻辑分析仪提供状态和定时模式，因此可同步或异步地捕获数据。在定时模式，设计工程师能看到信号跃变间的关系。在状态模式，设计工程师有能力观察相对于状态时钟的总线。当调试总线值至关重要的数据路径时，状态模式是特别有用的。

有效的真实世界测量需要事先周密的计划。使用传统逻辑分析仪要顾及的主要权衡是把结点路由输出至可探测的引脚。传统逻辑分析仪只能观察到路由至引脚的信号。由于还不知道潜在的电路内调试问题，设计工程师只能把很少几个引脚用于调试。这样少的引脚数可能不足以提供解决手头问题的足够可视能力，从而延误项目的完成。

保持内部可视能力，同时减少专用于调试引脚数的一种方法是在设计中插入开关多路转换器(见图1)。例如当 FPGA 设计进入电路时，可能需要观察128个内部结点，这就需要一次跟踪32个通道。在这种情况下，可在FPGA设计中实现多路转换器，在给定时间内路由出32 个结点。为编程多路转换器，设计工程师可下载新的配置文件，使用JTAG或通过多路转换器上的控制线经路由切换各信号。在设计阶段，必须仔细规划测试多路转换器插入。否则设计工程师可能止步于不能同时访问需要调试的结点。

Agilent 16702B所捕获的迹线

图1: 测试多路转换器的插入使设计工程师有能力路由出内部信号的子集，图中为Agilent 16702B所捕获的迹线。