FPGA學(xué)習(xí)之vivado邏輯分析儀的使用

本系列將帶來(lái)FPGA的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，從最基本的數(shù)字電路基礎(chǔ)開(kāi)始，最詳細(xì)操作步驟，最直白的言語(yǔ)描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生、初入職場(chǎng)小白及打算進(jìn)階提升的職業(yè)開(kāi)發(fā)者都可以有系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

系統(tǒng)性的掌握技術(shù)開(kāi)發(fā)以及相關(guān)要求，對(duì)個(gè)人就業(yè)以及職業(yè)發(fā)展都有著潛在的幫助，希望對(duì)大家有所幫助。本次帶來(lái)Vivado系列，Vivado邏輯分析儀使用教程。話(huà)不多說(shuō)，上貨。

Vivado 邏輯分析儀使用教程

作者：李西銳??

傳統(tǒng)的邏輯分析儀在使用時(shí)，我們需要將所要觀察的信號(hào)連接到FPGA的IO管腳上，然后觀察信號(hào)。當(dāng)信號(hào)比較多時(shí)，我們操作起來(lái)會(huì)比較繁瑣。在線(xiàn)邏輯分析儀就比較好的解決了這個(gè)問(wèn)題，我們可以將這些功能加到FPGA設(shè)計(jì)當(dāng)中。

其中待測(cè)設(shè)計(jì)就是我們整個(gè)的邏輯設(shè)計(jì)模塊，在線(xiàn)邏輯分析儀也同樣是在FPGA設(shè)計(jì)中。通過(guò)一個(gè)或多個(gè)探針來(lái)采集希望觀察的信號(hào)。然后通過(guò)JTAG接口，將捕獲到的數(shù)據(jù)通過(guò)下載器回傳給我們的用戶(hù)界面，以便我們進(jìn)行觀察。

在邏輯分析儀使用的過(guò)程中，我們一般常用的調(diào)用方法有兩種：

1、IP核

2、mark debug標(biāo)記信號(hào)

接下來(lái)我們先說(shuō)一下第一種方法。這種方法需要我們打開(kāi)IP核管理器，在程序設(shè)計(jì)中例化ILA。首先我們打開(kāi)IP核管理器，搜索ILA，雙擊打開(kāi)。

在此配置界面，我們配置幾項(xiàng)內(nèi)容。首先是Component Name，我們可以給我們的邏輯分析儀起一個(gè)名字，比如我在此改為my_ila。

在number of probes選項(xiàng)選擇我們需要觀察的信號(hào)個(gè)數(shù)，我們以流水燈為例，我們可以觀察一下代碼設(shè)計(jì)當(dāng)中的計(jì)數(shù)器cnt以及輸出led。所以我們?cè)诖隧?xiàng)設(shè)置為2。Sample data depth為采樣深度，采樣深度影響到了我們可以觀察的信號(hào)長(zhǎng)度，大家可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行設(shè)置，在此我選擇深度為1024。

然后在Probe ports里面設(shè)置被觀察信號(hào)的位寬。計(jì)數(shù)器為26位，led輸出為4位，那么我們將位寬設(shè)置好，點(diǎn)擊OK生成IP核。

在這里，我們簡(jiǎn)要介紹一下Vivado的OOC（Out-of-Context）綜合的概念。對(duì)于頂層設(shè)計(jì)，Vivado使用自頂向下的全局（Global）綜合方式，將頂層之下的所有邏輯模塊都進(jìn)行綜合，但是設(shè)置為OOC方式的模塊除外，它們獨(dú)立于頂層設(shè)計(jì)而單獨(dú)綜合。通常，在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中，頂層設(shè)計(jì)會(huì)被多次修改并綜合。但有些子模塊在創(chuàng)建完畢之后不會(huì)因?yàn)轫攲釉O(shè)計(jì)的修改而被修改，如IP，它們被設(shè)置為OOC綜合方式，OOC模塊只會(huì)在綜合頂層之前被綜合一次。這樣，在頂層的設(shè)計(jì)迭代過(guò)程中，OOC模塊就不必跟隨頂層模塊，而進(jìn)行一次次的會(huì)產(chǎn)生相同結(jié)果的多余的綜合了。所以，OOC流程減少了設(shè)計(jì)周期時(shí)間，并消除了設(shè)計(jì)迭代，使大家可以保存和重用綜合結(jié)果。

Out-of-Context(OOC) 綜合是一種自底向上的設(shè)計(jì)流程，默認(rèn)情況下，Vivado設(shè)計(jì)套件使用OOC的設(shè)計(jì)流程來(lái)綜合OOC模塊。OOC模塊可以是來(lái)自IP catalog的IP、來(lái)自Vivado IP Integrator的block design或者頂層模塊下手動(dòng)設(shè)置為OOC方式的任何子模塊。

來(lái)自IP catalog的IP就默認(rèn)使用OOC綜合的方式，例如上圖中的“Synthesis Options”選項(xiàng)就設(shè)置為了“Out of Context Per IP”。這些IP會(huì)在頂層的全局綜合之前，單獨(dú)地進(jìn)行OOC綜合并生成輸出產(chǎn)品（Generate Output Products），包括綜合后的網(wǎng)表等各種文件。在對(duì)頂層進(jìn)行綜合時(shí)，OOC模塊會(huì)被視為黑盒子，并且不會(huì)參與到頂層的綜合中來(lái)。在綜合之后的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，OOC模塊的黑盒子才會(huì)被打開(kāi)，這時(shí)其網(wǎng)表才是可見(jiàn)的并參與到全局設(shè)計(jì)的布局布線(xiàn)中來(lái)。

OOC綜合完畢之后如下圖所示：

IP核調(diào)用完成之后，我們?cè)贗P sources窗口中打開(kāi)IP核的instantiation template。my_ila.veo文件為例化的頭文件，我們雙擊打開(kāi)，將下圖內(nèi)容復(fù)制粘貼到頂層文件當(dāng)中即可。

復(fù)制好之后，我們將信號(hào)做一下連線(xiàn)，改一下例化名。那么我們的邏輯分析儀調(diào)用就完成了。

調(diào)用完成之后，我們將文件保存，然后生成下板文件進(jìn)行下板。

下板時(shí)，界面中出現(xiàn)兩個(gè)文件。第一個(gè)文件為bit流文件。第二個(gè)為邏輯分析儀文件。直接點(diǎn)擊program。下載完成之后會(huì)出現(xiàn)如下界面。

在開(kāi)始觀察波形之前，我們需要先在右下角小窗口里面設(shè)置觸發(fā)信號(hào)。這個(gè)我們可以理解為我們想要觀察的波形的位置。比如我們可以觀察一下led為第二個(gè)燈亮，且計(jì)數(shù)器數(shù)到1000的位置，那么我們的設(shè)置如下圖：

設(shè)置好之后，我們點(diǎn)擊波形界面的三角形符號(hào)，進(jìn)行觸發(fā)，那么就可以觀察到我們的波形了。

第二種方法：

“網(wǎng)表插入調(diào)試探針流程”需要在綜合后的網(wǎng)表中，將要進(jìn)行調(diào)試觀察的各個(gè)信號(hào)，標(biāo)記“Mark_Debug”屬性，然后通過(guò)“Setup Debug”向?qū)?lái)設(shè)置ILA IP核的參數(shù)，最后工具會(huì)根據(jù)參數(shù)來(lái)自動(dòng)創(chuàng)建ILA IP核。我們點(diǎn)擊“Flow Navigator”窗口中的“Open Synthesized Design”按鈕，如下圖所示：

在綜合后設(shè)計(jì)的窗口布局選擇器中，我們選擇“Debug”窗口布局，如下圖所示：

此時(shí)，Vivado打開(kāi)了“Netlist”子窗口、“Schematic”子窗口以及“Debug”子窗口。其中，“Netlist”子窗口和“Schematic”子窗口都用于標(biāo)記要進(jìn)行觀察的信號(hào)，“Debug”子窗口用于顯示并設(shè)置ILA IP核的各個(gè)參數(shù)。如下圖所示：

在“Debug”子窗口中，又包含兩個(gè)選項(xiàng)卡“Debug Cores”和“Debug Nets”。這兩個(gè)選項(xiàng)卡都用于顯示所有的已標(biāo)記為“Mark_Debug”的信號(hào)。不同之處在于，“Debug Cores”選項(xiàng)卡是一個(gè)更加以ILA IP核為中心的視圖，所有已標(biāo)記為“Mark_Debug”的信號(hào)并且已經(jīng)被分配到ILA探針的信號(hào)都會(huì)被顯示在各個(gè)ILA IP核的視圖樹(shù)下，已標(biāo)記為“Mark_Debug”的信號(hào)但是還沒(méi)有被分配到ILA探針的信號(hào)被顯示在“Unassigned Debug Nets”下，當(dāng)然也可以在其中查看和設(shè)置ILA IP核的各種屬性和參數(shù)?！癉ebug Nets”選項(xiàng)卡僅顯示已標(biāo)記為“Mark_Debug”的信號(hào)，但不顯示ILA IP核，所有已標(biāo)記為“Mark_Debug”的信號(hào)并且已經(jīng)被分配到ILA探針的信號(hào)都會(huì)被顯示在“Assigned Debug Nets”下，已標(biāo)記為“Mark_Debug”的信號(hào)但是還沒(méi)有被分配到ILA探針的信號(hào)被顯示在“Unassigned Debug Nets”下。

我們首先標(biāo)記要進(jìn)行觀察的信號(hào)，以led信號(hào)為例，在“Netlist”子窗口中的“Nets”目錄下，找到“l(fā)ed_OBUF”網(wǎng)絡(luò)，右擊該網(wǎng)絡(luò)（此時(shí)右邊的“Schematic”子窗口也會(huì)自動(dòng)地高亮選擇此網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)椤癗etlist”子窗口中的對(duì)象和“Schematic”子窗口中的對(duì)象，兩者之間是交叉選擇的），在彈出的菜單中心選擇“Mark Debug”命令，如下圖所示：

也可以在“Schematic”子窗口中選擇網(wǎng)絡(luò)，然后右鍵選擇“Mark Debug”命令，如下圖所示：

另外，也可以在HDL源代碼中為想要觀察的reg或wire信號(hào)添加“Mark Debug”屬性，例如：(* mark_debug = “true” *)reg [25:0] cnt ; 其中“(* mark_debug = “true” *)”必須緊挨在變量聲明的前面。這樣，在綜合完之后打開(kāi)綜合后的設(shè)計(jì)，counter信號(hào)就自動(dòng)被標(biāo)記了“Mark Debug”屬性。此時(shí)在“Debug”子窗口的“Debug Nets”選項(xiàng)卡的“Unassigned Debug Nets”目錄下就會(huì)出現(xiàn)我們剛剛標(biāo)記的“l(fā)ed_OBUF”網(wǎng)絡(luò)。?

此時(shí)“Debug”子窗口的“Debug Nets”選項(xiàng)卡的“Unassigned Debug Nets”目錄下就有了“l(fā)ed_OBUF”和“cnt”兩個(gè)信號(hào)，如下圖所示：

之后我們點(diǎn)擊“Debug”子窗口中的“Setup Debug”按鈕，如下圖所示：

彈出“Setup Debug”向?qū)?，我們直接點(diǎn)擊next，如下圖所示：

接下來(lái)的頁(yè)面是選擇用于采樣待測(cè)信號(hào)的時(shí)鐘域，Vivado會(huì)自動(dòng)識(shí)別出各個(gè)待測(cè)信號(hào)所屬的時(shí)鐘域并將其自動(dòng)設(shè)定為其采樣時(shí)鐘，例如，我們剛剛添加的這“l(fā)ed_OBUF”和“cnt”兩個(gè)信號(hào)就屬于“sys_clk_IBUF”時(shí)鐘域，并且Vivado也已經(jīng)自動(dòng)將“sys_clk_IBUF”時(shí)鐘設(shè)置為了這兩個(gè)信號(hào)的采樣時(shí)鐘，如下圖所示：

當(dāng)然，用戶(hù)也可以手動(dòng)指定各個(gè)用于采樣待測(cè)信號(hào)的時(shí)鐘域，右擊待測(cè)信號(hào)，選擇“Select Clock Domain”，彈出“Select Clock Domain”窗口，如下面兩個(gè)圖所示：

在“Select Clock Domain”窗口中就可以選擇用于采樣待測(cè)信號(hào)的時(shí)鐘了。“Setup Debug”向?qū)?huì)為每個(gè)采樣時(shí)鐘生成一個(gè)單獨(dú)的ILA IP核，由于本例程中只有一個(gè)時(shí)鐘，所以這里最后只會(huì)生成一個(gè)ILA IP核。設(shè)置完采樣時(shí)鐘后，我們點(diǎn)擊next，接下來(lái)的頁(yè)面用于設(shè)置ILA IP核的全局設(shè)置，如下圖所示：

其中“Sample of data depth”用于設(shè)置采樣深度，“Input pipe stages”用于設(shè)置待測(cè)信號(hào)和其采樣時(shí)鐘之間的同步級(jí)數(shù)。如果在上一個(gè)設(shè)置時(shí)鐘域頁(yè)面中，存在與其采樣時(shí)鐘之間是異步的待測(cè)信號(hào)，則為了避免亞穩(wěn)態(tài)，此數(shù)值最好不要低于2。由于本例中的兩個(gè)待測(cè)信號(hào)的其采樣時(shí)鐘是同步的，所以可以設(shè)置為0。我們點(diǎn)擊next，就進(jìn)入了最后的概覽頁(yè)面，確認(rèn)無(wú)誤后直接點(diǎn)擊finish即可，如下圖所示：

在“Debug”子窗口中的“Debug Cores”選項(xiàng)卡中，可以看到Vivado已經(jīng)添加了ILA IP核，并且“Unassigned Debug Nets”目錄下已經(jīng)沒(méi)有未被分配的信號(hào)了，如下圖所示：

網(wǎng)表中被標(biāo)記為Mark Debug的信號(hào)也變?yōu)榱颂摼€(xiàn)，以表示其完成了ILA IP核的分配，如下圖所示：

前面我們提到過(guò)，在“網(wǎng)表插入調(diào)試探針流程”中，用戶(hù)設(shè)置的調(diào)試信息會(huì)以Tcl XDC調(diào)試命令的形式保存到XDC約束文件中，在實(shí)現(xiàn)階段，Vivado會(huì)讀取這些XDC調(diào)試命令，并在布局布線(xiàn)時(shí)加入這些ILA IP核。此時(shí)，我們所做出的所有的更改和設(shè)置，都還只是停留在電腦內(nèi)存中，我們需要將其保存在硬盤(pán)的XDC約束文件中，點(diǎn)擊工具欄中的保存按鈕，如下圖所示：

在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框中直接點(diǎn)擊OK，如下圖所示：

彈出的“Save Constraints”窗口中，用于詢(xún)問(wèn)用戶(hù)將約束保存在哪個(gè)XDC約束文件中，本例的工程中只有一個(gè)XDC約束文件，如下圖所示，我們直接點(diǎn)擊OK即可：

此時(shí)，我們打開(kāi)led_twinkle.xdc，就會(huì)看到在用戶(hù)約束的下面，Vivado自動(dòng)寫(xiě)入了用于debug的約束，如下圖所示：

在實(shí)現(xiàn)階段，Vivado會(huì)讀取這些約束，并按照這些命令的參數(shù)來(lái)自動(dòng)地在布局布線(xiàn)時(shí)加入ILA IP核。至此，我們就成功地使用“網(wǎng)表插入調(diào)試探針流程”將ILA IP核添加到了設(shè)計(jì)中。接下來(lái)就可以將實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)并生成比特流，最后將比特流下載到FPGA中，以對(duì)信號(hào)進(jìn)行在線(xiàn)觀察，這一部分內(nèi)容在上面第一種方法里面已經(jīng)介紹過(guò)了，在此不再重復(fù)介紹。

編輯：黃飛