FPGA研发之道(5)从零开始调试FPGA

　　“合抱之木，生于毫末;九层之台，起于垒土;千里之行，始于足下。” 老子《道德经》

　　对于新手来说，如何上手调试FPGA是关键的一步。

　　对于每一个新设计的FPGA板卡，也需要从零开始调试。

　　那么如何开始调试?

　　下面介绍一种简易的调试方法。

　　(1) 至少设定一个输入时钟 input sys_clk;

　　(2) 设定输出 output [N-1:0] led;

　　(3)设定32位计数器 reg [31:0] led_cnt;

　　(4) 时钟驱动计数器开始工作

　　always@(posedge sys_clk)

　　led_cnt <= led_cnt + 1

　　(5)输出led信号。

　　assign led = led_cnt[M:N];

　　程序完成。

　　(6)设定管教约束

　　如果为XILINX FPGA ，在UCF文件中 NET “sys_clk” LOC = 管脚名称

　　如果为ALTERA FPGA ，在QSF文件中，添加 set_location_assignment 管脚名称 -to sys_clk

　　其他管脚，可依次类推。

　　(7)编译，布局、布线，生成配置文件。

　　XILINX 生成BIT文件。

　　ALTERA 生成SOF文件

　　(8)连接JTAG，下载相应的配置文件。

　　(9)观察是否闪灯(肉眼可见)。

　　关于闪灯的解释如下：

　　assign led = led_cnt[M:N]; led_cnt 为32bit的信号，需要几个闪灯，则根据输入时钟的频率和肉眼能够分辨的时间(100ms)。如输出时钟为25Mhz。则闪灯看见的位置能够分批到10hz。需分频2.5M= 32‘h2625A0,因此，则需要输出至少为led_cnt[21]位，才能看到闪灯。

　　虽然程序简单，但是，通过调试可以确认：

　　(1)首先可确定JTAG下载器的正确连接，能够正常下载下载文件。如不能，常见问题包括

　　(一)检查是否安装驱动。

　　(二)下载器是否由红灯变成黄灯/绿灯。如红灯亮一般情况下，JTAG的与电路板VCC没有供电。

　　(三)检查JTAG连接的线序。

　　(四)检查JTAG电路，检查原理图上TMS，TDI，TDO的上拉和下拉电阻是否与datasheet中一致。

　　通过以上四种方式，可排除绝大部分JTAG下载的错误。

　　(2)可以判断晶振是否起振，下载后无灯闪。

　　(一)首先，示波器查看晶振频率，观察晶振的输出，如无输出，查看晶振的电源和地信号，如电源正常，而晶振无反应，则更换晶振。

　　(二)如无示波器，也有替代的方法，通过嵌入式逻辑分析仪抓信号(任意信号)。如逻辑分析仪点击采样后无反应，则无时钟输入。

　　这是因为逻辑分析仪也需要时钟进行逻辑值的存储。

　　(3)如正常下载后闪灯，证明该FPGA板卡硬件设计上能够达到最低限度的FPGA调试状态。

　　最后，说明一下，为什么是闪灯而不是亮灯的程序，这是因为，首先闪灯可以判断外部晶振工作正常，并且由于LED等通常为上拉，也就是说逻辑值0表示灯亮，而也不排除某硬件工程师非要下拉。逻辑1表示亮。因此采用闪灯更加方便。

　　问题：为什么LED灯值为什么要上拉?

　　这是因为：LED上拉后，需要灯亮时电流由外部电源提供，而下拉，灯亮时电流由芯片的CMOS电路驱动。这种在设计中应避免。