FPGA开发全攻略—— 调试

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FPGA开发全攻略连载之十三：FPGA实战开发技巧（12）

 

5.6 大规模设计的调试经验

在大规模设计的调试应该按照和设计理念相反的顺序，从底层测试，主要依靠ChipScope Pro 工具。下面主要介绍ChipScope Pro、FPGA Editor 组件的使用方法。

5.6.1 ChipScope Pro组件应用实例

在赛灵思软件设计工具中，ISE 可集成赛灵思公司的所有工具和程序。ChipScope Pro 也不例外，在ISE 中将其作为一类源文件，和HDL 源文件、IP Core 以及嵌入式系统的地位是等同的。本节在Xilinx Spartan3E-D开发板上实现一个计数器模块，基于该模块详细介绍如何在ISE 中新建ChipScope 应用以及观察、分析数据的详细操作。

例5.6.1 ：在ISE 中实现一个8 比特计数器，利用ChipScope 分析其逻辑输出。

(1) 新建用户工程，添加mycounter.v 的源文件，其内容如下所列：
module mycounter(clk, reset, dout);
　　input clk;
　　input reset;
　　output [7:0] dout;
　　reg [7:0] dout;
　　always @(posedge clk) begin
　　　　if (reset == 0)
　　　　　　dout <= 0;
　　　　else
　　　　　　dout <= dout + 1;
　　end
endmodule

然后根据电路连接，添加相应的管脚约束。

(2) 综合工程，然后在ISE 工程管理区，单击右键，选择“Add New Source”命令，在弹出的对话框中选择“ChipScope Definition and Connection File” 类型， 并在“File Name” 栏输入ChipScope 设计名称mychipscope，如图5-41所示。

 

 

 

图5-41 添加ChipScope设计示意图

 

 

 

 

图5-42 测试模块选择界面

 

单击“Next”按键，进入分析文件选择界面，这里会将该文件夹里所有的HDL 设计、原理图设计都罗列出来( 包括顶层模块和全部底层模块)，供用户挑选，用鼠标单击即可选中，本例选择mycounter，如图5-42 所示。单击“Next”按键进入小结页面，单击“Finish”按键完成添加。

(3) 双击工程区mycounter.v 下的子模块mychipscope.cdc，可自动打开Chipscope Pro Core Insterser软件，添加触发单元和触发位宽。其中触发类型选为Basic，位宽为8比特；设置采样深度为4096，各步骤如图5-43到图5-46所示。

 

 

 

图5-43 调试工程配置界面

 

 

 

 

图5-44 ICON核配置界面

 

 

 

 

图5-45 触发信号配置界面

 

 

 

 

图5-46 采集深度配置界面

 

(4) 点击“Next”进入网表连接显示页面，如图5-47 所示。其中如果用户定义的触发和时钟信号线有未连接的情况，则图中“UNIT”、“CLOCKPORT”以及“TRIGGERPORTS”等字样以红色显示；正确完成连接后则变成黑色。

 

 

 

图5-47网表连接提示界面

 

点击图5-47 中“Modify Connection”的按键，进入连接页面，时钟和数据的连接如图5-48、图5-49所示。需要注意的是，ChipScope Pro 只能分析FPGA 设计的内部信号，因此不能直接连接输入信号的网表，所以输入信号网表全部以灰色显示。如果要采样输入信号，可通过连接其输入缓冲信号来实现，时钟信号选择相应的BUFGP，普通信号选择相应的IBUF。如图5-48 中所示，选择采样时钟时，选择了CLK_BUFGP。

 

 

 

图5-48 时钟网表连接界面

 

 

 

 

图5-49 触发网表连接界面

 

连接完成后，单击“OK”按键返回连接显示界面，发现所有提示字符“UNIT”、“CLOCKPORT”以及“TRIGGERPORTS”没有红色，则单击“Return Project Navigator”，退出Chipscope，返回到ISE 中。否则需要再次点击“Modify Connection”按键重新连接。

(5) 在工程中加入UCF 文件，约束时钟、数据管脚位置。为了简化也可以只添加clk 和reset 这两个控制信号的管脚约束，其内容如下：

NET "clk" LOC = "C9" | IOSTANDARD = LVCMOS33 ;
# Define clock period for 50 MHz oscillator (40%/60% duty-cycle)
NET " clk " PERIOD = 20.0ns HIGH 40%;
NET "reset" LOC = "H13" | IOSTANDARD = LVTTL | PULLDOWN ;

(6) 在ISE 过程控制区中双击“Implement Design”和“Generate Programming File”， 可以完成实现以及生成可编程文件，并将设计人员插入的各类核也将被包含在比特文件中。生成配置文件后，双击图5-50所示的“Analyze Design Using Chipscope”图标，可自动打开Chipscope Pro Analyzer 软件。

 

 

 

图5-50 Chipscope Pro Analyzer启动操作示意图

 

(7) 在Chipscope Analyzer 用户界面上点击工具栏上图标“ ”，初始化边界扫描链。等扫描完成后，单击“Device”菜单下“DEV: 0 My Device0(XC3S500E) → Configure”命令选择.bit 文件配置FPGA。
(8) 芯片配置完成后，选择“File”菜单的“Import”命令，可弹出CDC 文件加载页面，选择相应的CDC 文件，将会把所有以“Dataport”的名称修改为综合后的线网名称。
(9) 组合cnt 总线信号。可按住“Ctrl”键，选择多个总线信号，单击右键，选择“Add to Bus”命令，将其组合成相应的总线信号，如图5-51 所示。

 

 

 

图5-51 添加总线操作示意图

 

(10) 不设定触发条件采集数据。点击工具栏的“ ”图标，开始采集数据。整体结果如图5-52 所示，单击工具栏的“ ”按键，可放大信号，局部结果如图5-53 所示。从分析结果可以看出，本设计在FPGA中成功地完成了8 比特计数器的功能。

 

 

 

图5-52 Analyzer分析结果整体示意图

 

 

 

 

图5-53 Analyzer分析结果局部示意图

 

(11) 设定触发条件采集数据。在“Trigger Setup”栏Match 区域的“M0: Trigger Port0”行的Value 列输入触发条件“0000_0000”，如图5-54 所示。

 

 

 

图5-54 触发条件设置界面

 

点击工具栏的“ ”图标，开始采集数据，可以看到，采集结果的第一个数为0，如图5-55 所示。当然，
用户可以根据需要设置更复杂的触发条件。

 

 

 

图5-55 触发条件设置界面

 

(12) 利用Bus Plot 功能绘制输出信号波形。在工程区双击“Bus Plot”命令，然后在弹出窗口的“Bus Selection”区域选中“dout”，则会将采集数据以图形方式显示出来，如图5-56 所示。由于本设计是8 比特加1 计数器，因此其波形就是幅度为0 到255 的锯齿波。

 

 

 

图5-56 8计数器的波形示意图