FPGA零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)精選 | Signal tap 邏輯分析儀使用教程

作者：郝旭帥??校對(duì)：陸輝

大俠好，歡迎來(lái)到FPGA技術(shù)江湖，江湖偌大，相見(jiàn)即是緣分。大俠可以關(guān)注FPGA技術(shù)江湖，在“闖蕩江湖”、"行俠仗義"欄里獲取其他感興趣的資源，或者一起煮酒言歡。

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、通信類專業(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。后續(xù)會(huì)陸續(xù)更新 Xilinx 的 Vivado、ISE 及相關(guān)操作軟件的開(kāi)發(fā)的相關(guān)內(nèi)容，學(xué)習(xí)FPGA設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)思想的同時(shí)，實(shí)操結(jié)合各類操作軟件，會(huì)讓你在技術(shù)學(xué)習(xí)道路上無(wú)比的順暢，告別技術(shù)學(xué)習(xí)小BUG卡破腦殼，告別目前忽悠性的培訓(xùn)誘導(dǎo)，真正的去學(xué)習(xí)去實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。話不多說(shuō)，上貨。

signal tap 邏輯分析儀使用教程

在之前的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，利用modelsim得出中間某單元的數(shù)據(jù)，并且輸入也是設(shè)計(jì)者在testbench中自己給出的。但是，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，外部輸入的信號(hào)不一定和我們?cè)趖estbench中所描述輸入的信號(hào)相同，就有可能導(dǎo)致RTL仿真成功，但是下板測(cè)試失敗。

signal tap logic analyzer 采集并顯示FPGA設(shè)計(jì)中的實(shí)時(shí)信號(hào)行為，從而無(wú)需額外的I/O管腳或者外部實(shí)驗(yàn)室設(shè)備即可檢查正常器件操作期間內(nèi)部信號(hào)的行為。

在數(shù)據(jù)獲取期間，器件中的存儲(chǔ)器模塊存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)JTAG通信電纜將數(shù)據(jù)傳輸到邏輯分析儀。

下圖為signal tap logic analyzer的任務(wù)流程。

設(shè)計(jì)要求

利用邏輯分析儀測(cè)量出電腦發(fā)送UART（波特率為115200時(shí)）是每bit時(shí)間寬度。

設(shè)計(jì)分析

在UART協(xié)議中規(guī)定了每bit的時(shí)間寬度應(yīng)該是1秒鐘除以波特率，但是在實(shí)際電路中相同標(biāo)號(hào)的兩個(gè)晶振也會(huì)有一定的誤差。我們可以利用邏輯分析儀（也就是利用FPGA的時(shí)鐘）去測(cè)量一下PC發(fā)送UART時(shí)的bit時(shí)間寬度。

由于波特率為115200，在采樣時(shí)，一般采用16倍頻采樣。此時(shí)采樣頻率比較高，由基礎(chǔ)的50MHz的時(shí)鐘不能夠做出精確的16倍頻，由此也會(huì)帶來(lái)一定的誤差。

利用邏輯分析儀就可以看到在上述兩個(gè)都有誤差的情況，真實(shí)采樣的偏差，以及偏差對(duì)我們的設(shè)計(jì)是否有影響。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

將_9_uart_drive 復(fù)制一份，命名為_(kāi)10_uart_drive_signal_tap。然后打開(kāi)此工程，將波特率修改為115200。

點(diǎn)擊tools -> signal tap logic analyzer。

在右側(cè)窗口signal configuration中，首先需要指定一個(gè)采樣時(shí)鐘信號(hào)。

邏輯分析儀在采樣時(shí)鐘的每個(gè)上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。邏輯分析儀不支持在采樣時(shí)鐘的下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。設(shè)計(jì)中的任何信號(hào)都可以用作采樣時(shí)鐘。但是，為了獲得最佳的數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，請(qǐng)使用與被測(cè)信號(hào)同步的全局時(shí)鐘。

在本設(shè)計(jì)中，所有的信號(hào)都是由外部的clk信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，所以此采樣時(shí)鐘，選擇為clk。點(diǎn)擊clock對(duì)話框后面的三個(gè)點(diǎn)。將filter選擇為pin：all，點(diǎn)擊list，在matching nodes中選擇clk，點(diǎn)擊“大于”，在nodes found中出現(xiàn)clk，然后點(diǎn)擊ok。

配置完采樣時(shí)鐘信號(hào)后，需要配置采樣深度。

針對(duì)被采樣的數(shù)據(jù)中的每個(gè)信號(hào)，采樣深度指定了采樣和存儲(chǔ)的樣本的數(shù)量。在器件存儲(chǔ)器資源有限的情況下，由于所選的深度太大，設(shè)計(jì)可能無(wú)法編譯。此時(shí)需要降低采樣深度以減少資源使用。

采樣深度乘以采樣的間隔就確定了采樣的時(shí)間寬度。現(xiàn)在我們要做的是采樣一個(gè)UART的協(xié)議幀，一個(gè)協(xié)議幀共有12個(gè)bit。按照115200的波特率，采樣的時(shí)間寬度應(yīng)該是104166ns，所以采樣深度應(yīng)該是5208，在此選擇采樣深度為8K。

當(dāng)確定好采樣深度后，可以指定邏輯分析儀在觸發(fā)事件之前和之后 采樣的數(shù)據(jù)量。

邏輯分析儀提供三種選擇。Pre表示12%的存儲(chǔ)深度用作觸發(fā)事件之前，88%的存儲(chǔ)深度用作觸發(fā)事件之后；Center表示50%的存儲(chǔ)深度用作觸發(fā)事件之前，50%的存儲(chǔ)深度用作觸發(fā)事件之后；Post表示88%的存儲(chǔ)深度用作觸發(fā)事件之前，12%的存儲(chǔ)深度用作觸發(fā)事件之后。

在此選擇Pre。

配置好這些信息后，開(kāi)始添加需要觀測(cè)的信號(hào)。

在setup界面，在空白界面雙擊，添加想要觀測(cè)的信號(hào)。

需要觀測(cè)的信號(hào)有uart_txd、uart_rxd、cap_cnt。

uart_txd和uart_rxd為端口信號(hào)，選擇filter時(shí)，選擇PIN：all即可，cap_cnt為內(nèi)部信號(hào)，選擇filter時(shí)，選擇signal tap ：pre-synthesis。

將uart_rxd的下降沿設(shè)置為觸發(fā)條件。

在uart_rxd的trigger conditions的位置，右擊，選擇falling edge。

點(diǎn)擊保存，保存到qprj，命名為stp1.stp。

使能邏輯分析儀。點(diǎn)擊Yes。

回到quartus界面，進(jìn)行綜合分析并形成配置文件。

在工程向?qū)У慕Y(jié)構(gòu)界面，可以看到在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了兩個(gè)未知的組件。這兩個(gè)就是邏輯分析儀。

在報(bào)告中，可以看到使用的邏輯資源和存儲(chǔ)器資源增多。

回到signal tap界面，并且連接PC和開(kāi)發(fā)板。

在hardware中，選擇USB – blaster。

點(diǎn)擊sof manager后面的三個(gè)小點(diǎn)，選擇生成的sof文件，然后點(diǎn)擊下載。

點(diǎn)擊運(yùn)行分析。

此時(shí)邏輯分析儀就在等待被觸發(fā)。

觸發(fā)條件為uart_rxd的下降沿，打開(kāi)串口助手，配置好后，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)11。

發(fā)送之后，邏輯分析儀中出現(xiàn)了波形。因?yàn)榘l(fā)送為11，發(fā)送數(shù)據(jù)從低位開(kāi)始，故而第一個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)該為1。所以第一端低電平為起始位，可以通過(guò)采樣的數(shù)字標(biāo)號(hào)，確定它的時(shí)間寬度。

左鍵是放大，右鍵是縮小。

左側(cè)為0，因?yàn)槔孟陆笛刈鳛橛|發(fā)條件。放大左側(cè)數(shù)字為434。

所以起始位的時(shí)間寬度為434x20ns，即8680ns。按照波特率為115200計(jì)算，每一個(gè)bit的時(shí)間寬度應(yīng)該是8680.5556ns。這就證明PC發(fā)過(guò)來(lái)的bit的時(shí)間寬度和我們所預(yù)想的是一致的。

可以用此方法測(cè)量其他的bit的寬度，有的bit的寬度要比8680ns要少，有的bit的寬度要比8680ns要多，但是偏差不多。

由于真正的寬度和我們認(rèn)為的寬度有一定的區(qū)別。但是設(shè)計(jì)是按照每個(gè)bit的寬度都是20ns的整數(shù)倍，所以在采樣時(shí)，就會(huì)有偏差。通過(guò)cap_cnt可以看出來(lái)，并且隨著采樣的越長(zhǎng)，誤差累計(jì)就會(huì)越大。

在數(shù)據(jù)的第一個(gè)bit時(shí)，cap_cnt等于7，馬上要變?yōu)?。按照cap_cnt的計(jì)數(shù)規(guī)律是波特率的16倍頻設(shè)計(jì)，所以后面所有的bit起始時(shí)，都應(yīng)該是16 *N + 7，并且馬上要變?yōu)?6 * N + 8。但是真實(shí)的時(shí)間寬度和預(yù)想的時(shí)間寬度有一定的偏差。

在最后的校驗(yàn)位的起始時(shí)，cap_cnt的數(shù)據(jù)按照16倍頻采樣來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是135，然后快變?yōu)?36才對(duì)。但是此時(shí)已經(jīng)等于136，并且馬上變137。

我們是按照cap_cnt去進(jìn)行采樣的（在cap_cnt變化的位置采樣）。

因?yàn)橛姓`差，所以規(guī)定UART的協(xié)議幀的長(zhǎng)度不能夠過(guò)長(zhǎng)。即中間的數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)不能隨意增加。

上述分析步驟的數(shù)字只是筆者的測(cè)驗(yàn)結(jié)果，不同的PC和開(kāi)發(fā)板測(cè)試時(shí)，可能會(huì)得到不同的結(jié)果。

邏輯分析儀總結(jié)

利用邏輯分析儀可以直接查看到開(kāi)發(fā)板內(nèi)部運(yùn)行的波形。所以在很多時(shí)候，都是利用邏輯分析儀進(jìn)行板級(jí)測(cè)試作為最終結(jié)果。

如果不需要工程中的邏輯分析儀，可以打開(kāi)assignments -> settings –> signal tap logic analyzer，將使能的對(duì)勾去掉，然后重新編譯就可以了。