隨著FPGA融入越來越多的能力,對有效調試工具的需求將變得至關重要。對內部可視能力的事前周密計劃將能使研制組采用正確的調試戰略,以更快完成他們的設計任務。

“我知道我的設計中存在一個問題,但我沒有很快找到問題所需要的內部可視能力。”由于缺乏足夠的內部可視能力,調試FPGA基系統可能會受挫。使用通常包含整個系統的較大FPGA時,調試的可視能力成為很大的問題。為獲得內部可視能力,設計工程師必須把一些引腳專門用作調試引腳,而不是實際用于設計。哪些工具可用于進行內部FPGA跡線測量？又有哪些技術可用固定的引腳數最大化內部可視能力？

FPGA設計工程師有兩種進行內部跡線測量的方法:

1. 把結點路由至引腳,使用傳統的外部邏輯分析儀測試。

2. 把一個邏輯分析儀內核插入FPGA 設計,通過JTAG把由內部FPGA存儲器保存的跡線捕獲路由輸出。

邏輯分析

FPGA開發者要在設計前期作出重要的判定,他們有意識或無意識地確定如何能夠調試他們的設計。得到內部FPGA可視能力的最常用方法是使用邏輯分析儀,把感興趣的內部結點路由至分析儀探測的引腳。這種方法提供深存儲器跡線,在這里問題成因和其影響可能有很大的時間間隔。邏輯分析儀能很好測量可能逃逸仿真的異步事件。一個例子是具有非相關頻率的兩個或多個時鐘域交互影響。邏輯分析儀提供強大的觸發,所得到的測量結果能建立與其它系統事件的時間相關。

傳統邏輯分析儀提供狀態和定時模式,因此可同步或異步地捕獲數據。在定時模式,設計工程師能看到信號躍變間的關系。在狀態模式,設計工程師有能力觀察相對于狀態時鐘的總線。當調試總線值至關重要的數據路徑時,狀態模式是特別有用的。

有效的真實世界測量需要事先周密的計劃。使用傳統邏輯分析儀要顧及的主要權衡是把結點路由輸出至可探測的引腳。傳統邏輯分析儀只能觀察到路由至引腳的信號。由于還不知道潛在的電路內調試問題,設計工程師只能把很少幾個引腳用于調試。這樣少的引腳數可能不足以提供解決手頭問題的足夠可視能力,從而延誤項目的完成。

保持內部可視能力,同時減少專用于調試引腳數的一種方法是在設計中插入開關多路轉換器(見圖1)。例如當 FPGA 設計進入電路時,可能需要觀察128個內部結點,這就需要一次跟蹤32個通道。在這種情況下,可在FPGA設計中實現多路轉換器,在給定時間內路由出32個結點。為編程多路轉換器,設計工程師可下載新的配置文件,使用JTAG或通過多路轉換器上的控制線經路由切換各信號。在設計階段,必須仔細規劃測試多路轉換器插入。否則設計工程師可能止步于不能同時訪問需要調試的結點。

圖1: 測試多路轉換器的插
入使設計工程師有能力路由出內
部信號的子集,圖中為Agilent 16702B所捕獲的跡線。

最小化調試專用引腳數的第二種方法是時分復用(TDM)。TDM復用常用于設計原型,此時把多片FPGA 作為單片ASIC的原型,從而用于最小化調試專用引腳數。這項技術最適合用于處理較慢的內部電路。假定使用8位總線的50MHz設計(時鐘沿間為20ns)需要電路內的可視能力。使用100MHz在第一個10ns期間采樣低4bit,在第二個10ns期間采樣高4位。這樣僅用4個引腳,就可在每個20ns周期內捕獲到全部8位的調試信息。在捕獲跡線后,組合相繼的4位捕獲就可重建8位跡線。TDM復用也有一些缺點。如果用傳統邏輯分析儀捕獲跡線,觸發就變得非常復雜和容易出錯。例如在8位碼型上的觸發就包括把邏輯分析儀設置到尋找跟隨規定4位碼型后的另一特定4位碼型。但邏輯分析儀不知道哪一個4位是 8位組的開始,因此要在與觸發設置相匹配的條件上觸發-而不是使用者所中意的觸發條件。

采用TDM復用時得到的測量結果有精確的周期。但設計工程師卻丟失了時鐘周期間的定時關系信息。通常單端引腳的速度和邏輯分析儀收集跡線的采集速度(狀態模式)限制了壓縮比。例如如果最大單端引腳速度是200MHz,內部電路運行于高達100 MHz,那么可實現的最大壓縮比是2:1。

隨著給定FPGA設計的成熟,它可能會增強和改變。原來專門用于調試的引腳會被用于設計增強?；蜷_始就限制了設計的引腳。另一種調試技術為這類情況帶來價值。

邏輯分析內核

現在大多數FPGA 廠商也提供邏輯分析(見圖2)。這些 IP在合成前或合成后插入FPGA。內核包含觸發電路,以及用于設置測量和內部RAM,以保存跡線的資源。插入設計的邏輯分析內核改變了設計的定時,因此大多數設計工程師都把內核永久性地留在設計內。

圖2: 從 JTAG 下載邏輯分析儀的配置,
圖中的例子是 Xilinx ChipScopePro。

對于電路內配置,可通過JTAG訪問內核,以及為觀察而把捕獲數據傳送到PC。如果內核消耗不到5%的可用資源,FPGA 內核就能充分發揮作用。如果 FPGA的尺寸使內核要消耗超過10%的資源,設計工程師在使用這種方法時將會遇到很多問題。

邏輯分析內核有三項主要優點。

1. 它們的使用不增加引腳?？赏ㄟ^FPGA 上已有的專門JTAG引腳訪問。即使沒有其它可用引腳,這種調試方法也能得到內部可視能力。

2. 簡單的探測。探測包括把結點路由到內部邏輯分析儀的輸入。不需要擔心為得到有效信息,應如何連接到電路板上,也不存在信號完整性問題。

3. 邏輯分析內核是便宜的。FPGA廠商把他們的業務模型建立于用硅片所獲取價值的基礎上。所以所用的調試IP 通常能以低于$1,000美元的價格獲得。

使用內部邏輯分析內核也有三方面的影響。

1. 內核的尺寸限制了在大FPGA中的使用。此外由于內部FPGA存儲器用于跡線,使跡線深度很淺。

2. 設計工程師必須放棄把內部存儲器用于調試,存儲器會由所作的設計使用。

3. 內部邏輯分析儀只工作于狀態模式。它們捕獲的數據與規定的時鐘同步,而不能提供信號定時關系。

混合技術

一些FPGA廠商已開始與傳統邏輯分析儀廠商聯合開發組合技術(見圖 3)。例如Agilent 和 Xilinx 最近聯合為Xilinx的ChipScope開發2M狀態深存儲器。

圖3: 混合內部和傳統邏輯分析的第
一個例子是Agilent 和 Xilinx聯
合為ChipScopePro開發的深存儲器
,通過TDM復用能把引腳數減到最少。

這一解決方案把內部邏輯分析內核用于觸發。在滿足內核的觸發條件時,內核把跡線信息從經路由的結點傳送到內核,再送到引腳。引腳通過mictor連接器接到一個小的外部跟蹤盒。該解決方案融入了TDM復用,以減少調試專用引腳數。根據內部電路的速度,復用壓縮可能是1:1,2:1或4:1。由于跡線未在內部保存,因此IP內核要小于帶跡線存儲器的邏輯分析IP。

如何作出決定？

傳統邏輯分析和基于內核的邏輯分析技術都很有用。在選擇最適合您調試需要的方案時,事先考慮一些因素將能幫助您作出決定。下面這幾個問題能幫助您確定哪種方案最為有效。

1. 您預計會遇到哪種類型的調試問題？用內部邏輯分析儀能找到較簡單的問題,而傳統邏輯分析儀則能勝任復雜的故障。

2. 除了狀態模式外,您還需要捕獲定時信息嗎？如果需要,傳統邏輯分析儀能適應這一要求。

3. 需要多深的跡線？傳統邏輯分析儀可在各通道上捕獲達64M的跡線,而內部邏輯分析內核更適合淺的跡線。

4. 有多少引腳可專門用于調試？引腳數越少,使用內部邏輯分析儀就越適合。

5. 必須為新工具投入多少資金？雖然32通道傳統邏輯分析儀的起價為$6K,但內部邏輯分析儀及相隨波形觀察器的起價還不到$1K。

6. 研制組能容忍對FPGA設計的沖擊嗎？內核只能在大的 FPGA上工作,并會改變設計的定時。對所有尺寸和類型的FPGA,傳統邏輯分析儀的路由信號輸出對設計和工作的影響甚微。

作者: Joel Woodward,

Agilent Technologies公司