FPGA系统内部逻辑在线测试技术研究

　　1 引言

　　随着FPGA向低成本、低功耗、高性能方向发展，其I／O引脚大多采用微间距TOFP或BGA封装工艺，因而使引出多种内部信号的I／O引脚以及FPGA的验证工作变得非常困难，同时FPGA的验证和调试耗时占总开发时间的50％以上。

　　在验证和调试系统时，传统上是把信号线引到I／O引脚，然后采用示波器、逻辑分析仪或总线分析仪进行测量和分析。由于这些设备相当昂贵，而且调试时又需要许多连线夹，因此一不小心就会烧坏器件或电路板。

　　伴随着EDA 工具的快速发展，Altera公司在QuartusⅡ软件中开发出一种嵌入式调试工具SignalTapⅡ，它是基于逻辑分析核的嵌入式逻辑分析仪，不仅具备普通逻辑分析仪的触发、数据采集和存储功能，还可访问FPGA器件内部的所有信号和节点，除Altera公司开发的这种嵌入式逻辑分析仪外，其他主流FPGA公司，如 Xilinx、Lattice、Actel等也有相似技术，其中最具代表性的是Xilinx公司的ChipScope Pro工具，它是专为Xilinx FPGA系统内的凋试而设计的。Chip-Scope Pro核心集成在FPGA中，支持所有XiLinx FPGA系列，并通过标准的JTAG端口提供实时的调试和验证能力。

　　2 SignalTap II原理

　　SignalTap II嵌入逻辑分析仪是专门用于Quartus II设计软件中的第二代系统级调试工具。对于嵌人式逻辑分析仪内核(知识产权IP核)插入FPGA的设计，同时提供触发功能和存储功能。在FPGA运行过程中，满足触发条件时SignalTaPⅡ将启动采样并储存数据，采样数据不断刷新片内存储器内容。SignalTapⅡ通过下载线ByteBlasterⅡ，将捕获到的信号数据从器件的RAM资源载至QuartusⅡ开发环境，以实时显示波形。这样就能使开发者在整个设计过程中，以系统级的速度来观察硬件和软件的交互作用。

　　目前，SignalTapⅡ逻辑分析仪可以支持的器件系列有：Cyclone、CycloneⅡ、Cyclone Ⅲ、APEXTⅡ、APEX 20KE、APEX20KC、APEX20K、Excalibur、Mercury、Stratix GX、Stratix、StratixⅡ、Stratix Ⅲ等。

　　3 SignalTapⅡ使用方法

　　使用SignalTapⅡ的一般程序是：设计人员在完成设计并编译工程后，建立SignalTap Ⅱ(.stp)文件，并加入工程、配置STP文件、编译并下载没计到FPGA、在Quartus Ⅱ软件中显示被测信号的仿真波形。

　　设置SignalTapⅡ文件的基本流程如下：

　　(1)设置采样时钟。决定了显示信号波形的分辨率，根据Altera公司的建议最好使用全局时钟，而非门控时钟，否则会使采样时钟处于不能准确反映设计数据的状态。

　　(2)配置采样深度，确定RAM的大小。用户可指定要观测数据的采样点数，即数据存储深度。

　　(3)设置buffer acquisition mode。包括循环采样存储和连续采样存储两种模式。图1给出STP参数配置过程。

　　(4)触发级别。SignalTapⅡ是支持多触发级的触发方式，最多可支持10级触发。在多级触发中，SignalTapⅡ首先对第一级触发模式进行触发；当第一级触发表达式满足条件，测试结果为TRUE时，SignalTapⅡ对第二级触发表达式进行测试；依次类推，直到所有触发级均完成测试，并且最后一级触发条件为TRUE时，SignalTapⅡ开始捕捉信号状态。

　　(5)触发条件。可以设定复杂的触发条件用以捕获相应的数据，以协助调试设计。当满足触发条件时，在SignalTapⅡ时钟的上升沿采样被测信号。

　　(6)设置被测信号。在SignalTapⅡ逻辑分析仪窗口，双击鼠标左键，弹出的Node Finder对话框，在filter中选择要加人STP文件的节点或总线。图2所示给出了待测信号及触发设置。

　　完成STP设置后，加载SAM对象文件(.sof)，在Device列表中选择目标器件，点击Program Device图标进行器件编程，点击Run Analysis进行采集、分析数据，如图3所示。

　　4 实例分析

　　现以FT245BM型USB与EP2C8 0208C8N型FPGA间的简单通信为实例，具体说明如何采用SignalTapⅡ验证FPGA的设计。其顶层设计文件如图4所示。

　　FT245BM是FTDI(Future Technology Devices IntlLtd)公司的一种快速USB通信接口。它无需编写片内固件程序。FTDI公司提供D2XX官方驱动程序，使用D2XX驱动程序能获得更好的数据传输性能，且传输速率最大可达1 MB／s。

　　FT245BM的主要功能是在内部硬件逻辑的作用下实现USB串行数据格式与并行数据格式的双向转换。PC机通过USB接口与FT245BM进行数据交换，FT245BM通过并行方式与下位微控制器通信。利用单芯片实现USB与并行FIFO缓冲区的双向数据传输；通过简单的四线握手信号与FPGA等逻辑器件接口；FT245BM通过8位并行数据口D[0，7]和4位读写状态／控制口RXF#、TXE#、RD#、WR实现与EP2C8交换数据，而PC机与FT245BM间通过UISB总线传输数据。可选的外部EEPROM用于存储USB设备的特定信息，通过EECS、EESK、EEDATA来完成数据的写入和读出。

　　在调试中，按照上述SignalTapⅡ的使用步骤，在编译后的工程中添加STP文件，并对文件进行设置。首先设置采样时钟gclk，系统时钟采用32.768 MHz；然后添加采样深度的设置，设为2 K；最后在STP文件中将Buffer AcquisitionMode分别设为连续存储和循环采样存储两种模式进行验证。连续存储方式记录采样操作的连续过程，而在循环采样存储方式下SignalTapⅡ记录多次采样时刻数据。

　　当外部实验开发系统连接好后，进行编译下载。单击SignalTapⅡ面板上的Autorun Analysis按钮，启动SignalTapⅡ进行采样和分析，此时就能从SignalTaDⅡ数据窗通过JTAG口观察到来自实验板上FPGA内部的实时信号，该实例的输出信号如图5所示。

　　实际中将遇到许多竞争处理和不完善的地方，然而由于使用了SignalTapⅡ工具，所以能直观地看到内部的逻辑状况，这大大减少了开发周期，并能顺利地进行调试。

　　5 结语

　　Quartus中的SignalTapⅡ工具成功克服了传统逻辑分析仪的缺点，提供了一个测试器件的很好途径，还具有实时可视性，大大减少了调试、验证过程花费的时间，加快了设计周期。通过对CycloneⅡ系列EP2C8Q208C8进行实验，证实该测试手段大大提高了系统的调试能力，效果很好。但需注意的是，它是一块自主逻辑，需要占据FPGA资源。比如RAM，LE等，资源消耗量与需采集的数据量成正比。因此不能无限制地采集信号，一般采集信号的深度不大。再者，由于时钟的限制，无法看到有毛刺的现象，实际应用中也存在一定的限制。另外，SignalTapⅡ工作在JTAG方式，调试完成后，需将SignalTapⅡ移除设计，以免浪费资源。