FPGA如何进行片上调试？
0.FPGA也能片上调试吗？
FPGA与STM32等嵌入式开发最大的一个优点就是，可以在时序仿真阶段验证超过90%的功能，发现90%的问题。当所有的仿真没问题了，才能进行最后一步：板级调试。如果仿真都不对，那就没必要下载到芯片里了。
STM32等单片机，使用J-Link或ST-Link等调试器，可以进行在线调试，由于C代码是顺序执行的，我们可以插入断点，让程序停在我们需要的位置，或者是实时查看一些变量的数值，大大提高了我们Debug的速度，提高产品的开发效率。
对于FPGA来说，仿真毕竟是仿真，可以理解为理想条件，而最终我们的代码是需要运行在实际的FPGA芯片硬件上的。
所以也会遇到仿真正常，实际下载到板子里不正常的情况。这种现象有两种原因：1.程序有BUG，2.硬件有问题。比如实际程序中复位信号是低电平复位，而实际电路中设计的复位按键按下才是高电平，这样按键未按下就会导致程序一直处于复位状态。
当然，这只是一种最简单的问题点，实际开发过程中，仿真与实际运行不匹配的情况还有很多。那么如何才能以最快的速度找到问题点呢？
早期的FPGA调试方法通常使用逻辑分析仪，连接到FPGA芯片的外部管脚上，如果想查看内部信号，还需要把这些信号定义成Output引出到外部管脚进行了测量，如果是多位数据，这样就会占用大量的管脚，但是此类工具有个优点就是支持多种协议解析，可以非常方便的查看协议的报文数据。
如果有一种工具能像单片机开发那样，通过调试器JTAG接口实时获取运行过程中寄存器的数值就好了。有需求就有市场，FPGA厂商也考虑到了开发者的这种需求，都在自家产品上加上了这个功能，那就是片上逻辑分析仪，就像在芯片内装了一个逻辑分析仪ELA（Embedded Logic Analyzer），可以实时监测数据的变化，还可以设置触发条件等！
FPGA领域几大厂家提供嵌入式逻辑分析仪：
- Intel（原Altera）的SignalTap工具
- AMD（原Xilinx）的ChipScope工具
- Microchip（原Microsemi）的Identify工具
- Lattice的Reveal工具
这些工具都是嵌入式逻辑分析仪，大大提高了Debug速度。这类工具的原理通常是以预先设定的时钟速率实时采样FPGA的内部信号，并暂存于FPGA的内部RAM中，当满足预设的触发条件后，通过JTAG将存储在片内RAM中的数据传输至PC上，PC接收到数据后，通过上位机把数据展现出来。
以下是使用ChipScope工具抓取的铁电存储器FM25V05的SPI写时序：
从FPGA学习流程来看，当了解了流水灯、按键、UART等基本例程后，再学习I2C，SPI之前，就需要掌握片上逻辑分析仪的使用，非常有利于代码的调试。
我个人使用过Xilinx和Microsemi的工具，还是挺好用的。
Microsemi的identify使用方法可以到CSDN文章查看：
https://blog.csdn.net/whik1194/article/details/107074187
本文主要介绍Xilinx ISE开发环境下ChipScope工具的使用。
1.Xilinx ChipScope简介
Xilinx的FPGA片内逻辑分析仪被称为ChipScope，通过插入IP核的方式实现，主要包括3大IP核。
- ICON
ICON（integrated controller），主要负责与JTAG口的通讯，最大支持连接15个Core，这里的Core可以是ILA或VIO。
- ILA
ILA（integrated logic analyzer），嵌入式逻辑分析仪，可以抓取内部的任何信号，通过设置触发条件的方式，抓取一段时间的波形，时间长度取决于FPGA RAM资源大小。
- VIO
VIO（virtual input/output），即输入输出，可以实时监控FPGA内部信号，并提供驱动信号给FPGA模块，类似于单片机调试中的变量值查看。
- ATC2
ATC2（Agilent trace core），是属于特殊定制的调试IP核，需要配合新一代的Agilent逻辑分析仪一起使用，这个很少使用。
下面这张图是来自Xilinx官方文档：chipscope_pro_sw_cores_ug029.pdf的一张图片，关于ChipScope官方的使用指南可以查看这篇文档，介绍了ChipScope工具的整体框图。
既然是逻辑分析仪，就要涉及到逻辑分析仪最重要的两个参数：采样频率和采样深度，ILA的采样频率取决于输入时钟信号的频率，采样深度取决于FPGA的RAM大小。
2.示例工程创建
下面以Xilinx Spartan-6 XC6SLX9为例，演示ChipScope的使用，ILA抓取cnt实时数据。VIO实现在上位机控制LED亮灭，或选择闪烁频率。led1通过VIO来选择4档闪烁频率，led2通过VIO给的触发信号上升沿进行翻转，led3与VIO输出高低保持一致。
首先创建一个基于XC6SLX9的ISE基本工程，并新建源文件。
以下代码还未添加ChipScope：
module top(
//Inputs
input clk, //50MHz
input rst_n,
//Outputs
output reg led1, //通过VIO来选择4种闪烁频率
output reg led2, //通过VIO来控制
output led3 //通过VIO来控制
);
wire [1:0] level; //来自VIO
wire trig; //来自VIO, 按键产生高脉冲信号
wire trig_rise = (trig_reg == 2'b01);
reg [1:0] trig_reg;
reg [26:0] cnt; //在ILA中查看数据变化
always @ (posedge clk) begin
if(!rst_n)
trig_reg <= 'h0;
else
trig_reg <= {trig_reg[0], trig};
end
always @ (posedge clk) begin
if(!rst_n)
cnt <= 'd0;
else
cnt <= cnt + 1;
end
always @ (posedge clk) begin
if(!rst_n)
led1 <= 'd0;
else begin
//level来自VIO
case (level)
0: led1 <= cnt[26];
1: led1 <= cnt[25];
2: led1 <= cnt[24];
3: led1 <= cnt[23];
endcase
end
end
always @ (posedge clk) begin
if(!rst_n)
led2 <= 0;
else if(trig_rise) //trig上升沿翻转
led2 <= !led2;
end
endmodule3.添加ChipScope ICON IP核
添加一个IP核源文件，保存在chipscope文件夹下。
选择ICON IP核，以下添加VIO和ILA核是一样的操作。
添加之后进入配置界面，因为我们连接了ILA和VIO两个IP核，这里控制端口需要两个：
查看例化模板：
icon YourInstanceName (
.CONTROL0(CONTROL0), // INOUT BUS [35:0]
.CONTROL1(CONTROL1) // INOUT BUS [35:0]
);4.添加ChipScope ILA IP核
选择采样深度，数值越大，占用FPGA RAM资源越多，采样时间越长。
选择采集通道，这里选择32个通道。
等待生成完成，查看例化模板：
ila YourInstanceName (
.CONTROL(CONTROL), // INOUT BUS [35:0]
.CLK(CLK), // IN
.TRIG0(TRIG0) // IN BUS [31:0]
);5.添加ChipScope VIO IP核
同样的方式添加VIO核：
选择32路输入，用于监测cnt的值，4路输出，用于控制LED。
设置为异步输入32位，输出4位。
6.将ChipScope的3个IP核添加到顶层模块
module top(
//Inputs
input clk, //50MHz
input rst_n,
//Outputs
output reg led1, //通过VIO来选择4种闪烁频率
output reg led2, //通过VIO来控制
output led3 //通过VIO来控制
);
wire [1:0] level; //来自VIO
wire trig; //来自VIO, 按键产生高脉冲信号
wire trig_rise = (trig_reg == 2'b01);
reg [1:0] trig_reg;
reg [26:0] cnt; //在ILA中查看数据变化
always @ (posedge clk) begin
if(!rst_n)
trig_reg <= 'h0;
else
trig_reg <= {trig_reg[0], trig};
end
always @ (posedge clk) begin
if(!rst_n)
cnt <= 'd0;
else
cnt <= cnt + 1;
end
always @ (posedge clk) begin
if(!rst_n)
led1 <= 'd0;
else begin
//level来自VIO
case (level)
0: led1 <= cnt[26];
1: led1 <= cnt[25];
2: led1 <= cnt[24];
3: led1 <= cnt[23];
endcase
end
end
always @ (posedge clk) begin
if(!rst_n)
led2 <= 0;
else if(trig_rise) //trig上升沿翻转
led2 <= !led2;
end
/* Xilinx ChipScope Config */
wire [35:0] CONTROL0;
wire [35:0] CONTROL1;
wire [31:0] TRIG0;
wire [31:0] ASYNC_IN;
wire [3:0] ASYNC_OUT;
assign ASYNC_IN[26:0] = cnt[26:0];
assign level = ASYNC_OUT[1:0];
assign trig = ASYNC_OUT[2];
assign led3 = ASYNC_OUT[3];
assign TRIG0[26:0] = cnt[26:0];
assign TRIG0[28:27] = level[1:0];
assign TRIG0[29] = led1;
assign TRIG0[30] = led2;
assign TRIG0[31] = led3;
icon icon_ut0(
.CONTROL0(CONTROL0[35:0]),
.CONTROL1(CONTROL1[35:0])
);
ila ila_ut0(
.CONTROL(CONTROL0[35:0]),
.CLK(clk),
.TRIG0(TRIG0[31:0])
);
vio vio_ut0(
.CONTROL(CONTROL1[35:0]),
.ASYNC_IN(ASYNC_IN[31:0]),
.ASYNC_OUT(ASYNC_OUT[3:0])
);
endmodule7.编译下载
管脚分配，编译通过，生成bit文件，打开ChipScope，下载bit文件。
下载Bit文件
对信号进行重新命名，设置触发信号，或者控制VIO输出状态。
trig设置成PushButton类型，并设置为高脉冲。
led3设置成ToggleButton类型，即按一下状态翻转一次。
8.总结
单片机在线调试可以设置断点，让程序停下，FPGA只要时钟信号存在，就会一直运行下去，所以无法人为的设置断点，中止代码的运行。
任何事物都不可能达到十全十美，使用管脚外接的逻辑分析仪不会占用任何的逻辑资源，可以通过逻辑分析仪解析协议的报文，缺点是不能查看内部信号；使用片内逻辑分析仪的优点是可以实时查看内部信号，设置触发条件，缺点是会占用FPGA的逻辑资源，比如RAM等。
Xilinx新一代的集成开发工具Vivado最低支持Spartan-7系列的FPGA芯片，由于手头只有Spartan-6系列的开发板，所以无法演示在Vivado环境下的ChipScope使用，基本上都大同小异，使用方法类似，毕竟是同一家的调试工具。
9.参考资料
Xilinx官方文档：chipscope_pro_sw_cores_ug029.pdf
10.源码获取
关注公众号【电子电路开发学习】，后台回复【chipscope】获取工程源代码，基于黑金AX309-Spartan-6 XC6SLX9开发板。
