實(shí)時(shí)調試與驗證解決FPGA開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵瓶

　　在嵌入式系統設計中的各種硬件核心中，隨著(zhù)FPGA門(mén)數的增多和速度的加快，EDA開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越高效，更具便利性和靈活性的FPGA無(wú)疑是當前系統設計中的熱門(mén)選擇。而隨著(zhù)FPGA設計的完善程度和復雜程度不斷增長(cháng)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的限制，調試驗證的重要性愈發(fā)突出。對此熱點(diǎn)話(huà)題，筆者特別采訪(fǎng)了泰克邏輯分析儀市場(chǎng)策略經(jīng)理Mike Juliana先生，請他就FPGA的設計和驗證做出專(zhuān)門(mén)闡述。

　　FPGA開(kāi)發(fā)流程包括設計階段和調試階段，設計階段的任務(wù)是設計錄入、設計實(shí)施、仿真，調試和驗證階段的任務(wù)是在線(xiàn)驗證檢驗設計，校正發(fā)現的任何漏洞。在設計階段，仿真調試能夠縮短調試時(shí)間，發(fā)現和排除顯而易見(jiàn)的錯誤，但是仿真很難對真實(shí)世界的數據進(jìn)行校驗，很難仿真定時(shí)錯誤和異步事件。在調試階段時(shí)，需要由測試工程師在真實(shí)的FPGA運行中測試，仿真層不能夠覆蓋的部分則用測試來(lái)實(shí)現。

　　對于當前復雜的FPGA開(kāi)發(fā)階段，Mike Juliana先生認為，仿真實(shí)際應該是設計的第一步驟，而調試是必須進(jìn)行的第二步驟，不能只通過(guò)仿真來(lái)完成設計和調試。仿真只能覆蓋低速、門(mén)數較少的FPGA，而高速、復雜的設計中，調試是必須進(jìn)行的開(kāi)發(fā)階段。

　　過(guò)去，設計人員有兩種FPGA調試方法，內嵌式調試方法和外部邏輯分析儀調試。內嵌式邏輯分析儀，采用FPGA的片內資源進(jìn)行編制邏輯分析功能，FPGA廠(chǎng)家提供了很多內嵌的調試方法和軟件工具，如Altera的SignalTap II，Xilinx的ChipScope TM ILA，以及Actel的CLAM 。但FPGA片內資源有限，并且內嵌式調試僅僅支持狀態(tài)分析方式，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)調試。外部邏輯分析儀，FPGA可以將信號通過(guò)引腳的方式引出，用邏輯分析儀采集和分析信號。但需要占用許多的FPGA引腳，如果要改變FPGA的內部必須重新編譯。

　　并且隨著(zhù)設計尺寸和復雜程度不斷提高，內部節點(diǎn)與外部管腳的矛盾成為FPGA內部信號訪(fǎng)問(wèn)的最大障礙。對此，測試測量行業(yè)的兩大巨頭泰克與安捷倫都選擇使用了JTAG口通過(guò)自動(dòng)方式映射內部節點(diǎn)，加速工程師FPGA調試過(guò)程，減少在發(fā)現問(wèn)題時(shí)返回設計階段的步驟和時(shí)間。

　　泰克FPGAView解決方案綜合了兩種傳統的調試方式，借助調試軟件，創(chuàng )建和插入測試代碼，利用工程師所設計的測試核，把FPGA針腳映射到邏輯分析儀，自動(dòng)更新節點(diǎn)與管腳的對應關(guān)系。FPGAView可以即時(shí)移動(dòng)探點(diǎn)，而不需重新匯編設計。同時(shí)它能夠把內部FPGA信號活動(dòng)與電路板級信號關(guān)聯(lián)起來(lái)，在滿(mǎn)足時(shí)間表方面起到事半功倍的作用。對于A(yíng)ltera的FPGA產(chǎn)品，可直接利用其自帶的測試核 Quartus V5.15W，而Xilinx產(chǎn)品可以借助FS2 TestCore進(jìn)行調試。目前泰克邏輯分析儀可達到1.25Ga/s采樣速率，完全支持市場(chǎng)中200-300M中高速度的FPGA調試。

　　此外，Mike Juliana先生建議，對于FPGA的調試工作，除了需要選擇合適的調試工具之外，還需要注意另外兩點(diǎn)，首先要做好仿真階段，其次要制定完整的調試戰略。工程師需要在設計階段就考慮哪些信號需要測試，在設計時(shí)制定好調試戰略，根據戰略來(lái)選擇調試方案。實(shí)際上，這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常被設計工程師所忽視，導致加重測試階段的時(shí)間和復雜度。在制定調試戰略時(shí)，需要觀(guān)察兩部分，包括狀態(tài)機及各個(gè)狀態(tài)機之間的關(guān)系，總線(xiàn)內部以及之間的關(guān)系，從而發(fā)現典型性的問(wèn)題和潛在性的問(wèn)題。

　　對于未來(lái)FPGA的發(fā)展趨勢，Mike Juliana先生認為FPGA將會(huì )變得更加復雜，很多功能都在片上來(lái)實(shí)現，SOC將成為未來(lái)的主要設計方向。此外，更多的FPGA中將會(huì )內嵌處理器和控制器。而對此泰克的很多方案諸如模塊化結構和硬件的增值服務(wù)，可以使不同領(lǐng)域的儀器結合在一起，觀(guān)測數字世界。