FPGA設(shè)計(jì)調(diào)試流程

FPGA設(shè)計(jì)調(diào)試流程

FPGA開(kāi)發(fā)是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程，一般的FPGA設(shè)計(jì)流程一般包含下面幾個(gè)步驟：

硬件架構(gòu)和算法驗(yàn)證：實(shí)現(xiàn)需要的功能需要哪幾個(gè)模塊，模塊和模塊之間如何進(jìn)行通信和連接；硬件算法是否可行和穩(wěn)定（以圖像處理算法為例，一般可以采用MATLAB進(jìn)行算法驗(yàn)證）；

RTL代碼編寫；

硬件調(diào)試與驗(yàn)證：一般這個(gè)過(guò)程會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，如果沒(méi)有一定的經(jīng)驗(yàn)以及技巧，有可能會(huì)使得開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)幾倍，甚至開(kāi)發(fā)失??；

調(diào)試，即Debug，有一定開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人一定會(huì)明確這是設(shè)計(jì)中最復(fù)雜最磨人的部分。對(duì)于一個(gè)龐大復(fù)雜的FPGA工程而言，出現(xiàn)問(wèn)題的概率極大，這時(shí)如果沒(méi)有一個(gè)清晰的Debug思路，調(diào)試過(guò)程只能是像無(wú)頭蒼蠅一樣四處亂撞。在FPGA設(shè)計(jì)中一般的調(diào)試思路如下所示：
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首先排查硬件問(wèn)題：在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，首先懷疑并排除硬件問(wèn)題。首先檢查開(kāi)發(fā)板的供電和連接是否正常，是否有電子元件被燒毀，是否出現(xiàn)元件虛焊等問(wèn)題。確認(rèn)開(kāi)發(fā)板以及供電沒(méi)有問(wèn)題后，使用例程或者已有的程序或者工程對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的核心部件進(jìn)行測(cè)試。例如，在讀寫DDR時(shí)，如果DDR沒(méi)有反應(yīng)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查找例程，或者使用開(kāi)發(fā)板官方提供的例程對(duì)DDR讀寫進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)DDR可以正常工作；在讀寫SD卡時(shí)，可以嘗試換一張SD卡操作，或者通過(guò)將SD卡切換到其他設(shè)備上，確保SD卡沒(méi)有損壞等。實(shí)際工程應(yīng)用中，需要靈活選擇測(cè)試和排查方案，但是目的基本都是相同的。
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其次排查全局信號(hào)：確認(rèn)硬件連接沒(méi)有問(wèn)題后，排查全局信號(hào)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。全局信號(hào)一般指接在內(nèi)部所有模塊的信號(hào)，例如i_sys_clk和i_sys_rst_n等。需要確保這些信號(hào)正常工作，之后的RTL排查才有意義。
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最后排查RTL代碼：在確保硬件和全局信號(hào)沒(méi)有問(wèn)題后，再開(kāi)始排查RTL代碼。在RTL代碼排查中也有一定的順序可以參考，一般可以參考下面的順序：

檢查主從設(shè)備（模塊）之間的握手機(jī)制，或者說(shuō)檢查主從設(shè)備之間是否正常連接。很多時(shí)候可以參考設(shè)備的官方Datasheet檢查主從模塊之間的初始化指令是否書(shū)寫正確。

檢查狀態(tài)跳轉(zhuǎn)是否正常：在初始化過(guò)程中，經(jīng)常使用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行RTL編程。

檢查讀寫數(shù)據(jù)是否正常：可以設(shè)計(jì)一些“假數(shù)據(jù)”，例如人為規(guī)定的一些有規(guī)律的數(shù)據(jù)，檢查這些數(shù)據(jù)在從設(shè)備中的地址是否正常，數(shù)據(jù)是否正確。

檢查執(zhí)行操作的觸發(fā)信號(hào)：檢查信號(hào)的Trigger是否正常工作。

總之，RTL調(diào)試是最枯燥的部分，很多時(shí)候需要“抽絲剝繭”、“追本溯源”才能找到問(wèn)題所在。但是筆者認(rèn)為這恰恰是體現(xiàn)一個(gè)FPGA工程師硬實(shí)力的必要技能和心境。

Vivado ILA IP 的使用

ILA，全稱Integrated Logic Analyzer，是Xilinx FPGA芯片中設(shè)計(jì)的芯片內(nèi)部集成邏輯分析儀。它可以在一定程度上替代外部的傳統(tǒng)邏輯分析儀的作用。ILA通常和VIO（Vritual Input/Output）結(jié)合使用，VIO不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控內(nèi)部的邏輯信號(hào)和端口信號(hào)，還可以充當(dāng)模擬輸入驅(qū)動(dòng)內(nèi)部端口。ILA監(jiān)控內(nèi)部信號(hào)輸出給PC端，而VIO接收PC端的實(shí)時(shí)指令從而給內(nèi)部端口提供輸入信號(hào)。
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ILA調(diào)試有多種方法，可以直接在代碼中通過(guò)原語(yǔ)添加，也可以在原理圖中通過(guò)Debug添加，也可以在網(wǎng)絡(luò)列表Netlist中添加。

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在這里先創(chuàng)建一個(gè)示例工程，使用一個(gè)呼吸燈模塊作為頂層代碼：

module Breath_LED (
    input sys_clk,
    input sys_rst_n,
    output reg led
);  
    parameter CNT_2US_MAX = 7'd100;
    parameter CNT_2MS_MAX = 10'd1000;
    parameter CNT_2S_MAX = 10'd1000;

    reg [6:0] cnt_2us;  // sys_clk = 50MHz, T = 20ns, cnt_2us: 0 ~ 99
    reg [9:0] cnt_2ms;
    reg [9:0] cnt_2s;  // cnt_2ms, cnt_2s: 0 ~ 999
    reg inc_dec_flag;   // 0: increase, 1: decrease

    // count to 2us
    always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
        if (!sys_rst_n)
            cnt_2us <= 7'd0;
        else if (cnt_2us == (CNT_2US_MAX - 7'd1))
            cnt_2us <= 7'd0;
        else 
            cnt_2us <= cnt_2us + 7'd1;
    end

    // count to 2ms by cnt_2us
    always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
        if (!sys_rst_n)
            cnt_2ms <= 10'd0;
        else if ((cnt_2us == (CNT_2US_MAX - 7'd1)) && 
            (cnt_2ms == (CNT_2MS_MAX - 10'd1)))
            cnt_2ms <= 10'd0;
        else if (cnt_2us == (CNT_2US_MAX - 7'd1))
            cnt_2ms <= cnt_2ms + 10'd1;
    end

    // count to 2s by cnt_2ms
    always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
        if (!sys_rst_n)
            cnt_2s <= 10'd0;
        else if ((cnt_2us == (CNT_2US_MAX - 7'd1)) && 
            (cnt_2ms == (CNT_2MS_MAX - 10'd1)) && 
            (cnt_2s == (CNT_2S_MAX - 10'd1)))
            cnt_2s <= 10'd0;
        else if ((cnt_2us == (CNT_2US_MAX - 7'd1)) && 
            (cnt_2ms == (CNT_2MS_MAX - 10'd1)))
            cnt_2s <= cnt_2s + 10'd1;
    end

    // inc_dec_flag
    always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
        if (!sys_rst_n)
            inc_dec_flag <= 1'b0;
        else if ((cnt_2us == (CNT_2US_MAX - 7'd1)) && 
            (cnt_2ms == (CNT_2MS_MAX - 10'd1)) && 
            (cnt_2s == (CNT_2S_MAX - 10'd1)))
            inc_dec_flag <= ~inc_dec_flag;
        else 
            inc_dec_flag <= inc_dec_flag;
    end

    // led PWM configuration
    always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
        if (!sys_rst_n)
            led <= 1'b0;
        else if ((inc_dec_flag == 1'b0) && (cnt_2ms <= cnt_2s)) // increase
            led <= 1'b1;
        else if ((inc_dec_flag == 1'b1) && (cnt_2ms >= cnt_2s)) // decrease
            led <= 1'b1;
        else 
            led <= 1'b0;
    end

endmodule

IP核配置

在IP Catalog中搜索ILA即可找到ILA IP核，雙擊之后就會(huì)跳出配置界面。

設(shè)置部件名稱、探針數(shù)量（需要測(cè)量信號(hào)的數(shù)量）和采樣深度。clk信號(hào)一般是系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，ILA IP會(huì)在每個(gè)clk上升沿（或下降沿、具體有待考量）采一次對(duì)應(yīng)信號(hào)的數(shù)據(jù)，直到采信號(hào)的次數(shù)達(dá)到采樣深度為止。

在這里，假設(shè)代碼出現(xiàn)了問(wèn)題，我們需要檢測(cè)sys_clk、led、sys_rst_n、cnt_2us、cnt_2ms四個(gè)信號(hào)。四個(gè)信號(hào)的寬度分別為1，1，7，10。

完成設(shè)置后，點(diǎn)擊OK，出現(xiàn)下面界面。如果綜合選項(xiàng)選擇Global，代碼會(huì)在每次綜合時(shí)都對(duì)ILA進(jìn)行綜合；如果選擇OutofconextperIP（OOC模式），代碼只會(huì)在ILA設(shè)置發(fā)生改變時(shí)對(duì)ILA進(jìn)行綜合。一般選擇后者即可，可以加快綜合速度。