【導(dǎo)讀】設(shè)計人員選擇具有優(yōu)秀調(diào)試能力的FPGA器件，可以縮短開發(fā)周期并降低成本，同時顯著加快上市速度。FPGA和SoC設(shè)計人員要克服許多挑戰(zhàn)，才可以把產(chǎn)品投入生產(chǎn)。
一般說來，他們首先要為自己的設(shè)計評估合適器件；然后，使用硬件描述語言(HDL)設(shè)計，布局布線器件，最后，在投入生產(chǎn)之前，還要對整個FPGA進(jìn)行調(diào)試。
對于許多設(shè)計，特別是工業(yè)和嵌入式市場的設(shè)計來說，可以選擇的FPGA實(shí)在多不勝數(shù)。在大多數(shù)情況下，決定選擇哪家FPGA供應(yīng)商取決于其相關(guān)的軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。雖然軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)也應(yīng)該是考慮因素，但是，更重要的因素應(yīng)該是調(diào)試能力及為加速生產(chǎn)提供的支持。目前，阿爾特拉(Altera)、萊迪思(Lattice)、美高森美(Microsemi)和賽靈思(Xilinx)等供應(yīng)商都提供許多FPGA調(diào)試工具，但是，設(shè)計人員對未來的FPGA設(shè)計策略進(jìn)行評估時，應(yīng)該考慮采用一種更智能的調(diào)試工具。
基礎(chǔ)調(diào)試 – 邏輯分析儀
每個主要的FPGA供應(yīng)商都提供邏輯分析儀作為調(diào)試工具。這是一種利用內(nèi)部FPGA邏輯單元和嵌入式塊存儲器來實(shí)施功能的技術(shù)。設(shè)計人員可以規(guī)定監(jiān)測哪種信號，并設(shè)置觸發(fā)器來告訴邏輯分析儀何時開始采集數(shù)據(jù)。邏輯分析儀設(shè)置好后，設(shè)計人員必須重新按順序運(yùn)行綜合和布局布線，將功能納入到設(shè)計中。設(shè)計重新編譯和重新編程后，設(shè)計人員便可以開始觀察邏輯分析儀采集的邏輯信號。
需要注意的是，由于這些信號需要采樣，它們采集的并非數(shù)據(jù)的實(shí)時性能。邏輯分析儀只能以允許其采集數(shù)據(jù)的速度運(yùn)行，并將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲器內(nèi)。由于設(shè)計必須重新編譯以插入邏輯分析儀，因此，這一過程實(shí)際上可能消除正在尋找的漏洞。雖然這看起來似乎不錯，但是，不了解原問題是什么，意味著后面再執(zhí)行合成和布局布線操作時，問題可能會再次產(chǎn)生和重新出現(xiàn)。
盡管如此，設(shè)計人員能夠根據(jù)觸發(fā)條件來查看信號狀態(tài)，這樣做確實(shí)可以幫助調(diào)試設(shè)計問題。采用邏輯分析儀是一個不斷迭代的過程。設(shè)計人員查找發(fā)生的問題，進(jìn)行更新，然后對設(shè)計進(jìn)行重新編譯，再審查新的結(jié)果，然后重復(fù)這個過程，直到發(fā)現(xiàn)漏洞。每個迭代和處理每個具體漏洞所需的時間都不同，由于邏輯分析儀的采樣速度，因此不一定可以找到所有問題。
下一代調(diào)試工具
由于邏輯分析儀在調(diào)試方面的限制，業(yè)界設(shè)計了新一代調(diào)試工具，以加快FPGA和板的驗(yàn)證。有些EDA供應(yīng)商在綜合工具內(nèi)集成了邏輯分析儀功能，縮短了漏洞查找迭代的時間，能夠查看設(shè)計和使觸發(fā)設(shè)置更簡單。設(shè)計人員還可以更改設(shè)計，使其自動映射回到寄存器傳送級(RTL)代碼。為了節(jié)約內(nèi)部FPGA資源，有些EDA工具可以采集多組信號，并將它們多路復(fù)用。在調(diào)試過程初期，我們不知道問題的實(shí)際源頭時，這樣做很有幫助。新思科技(Synopsys)在其identify邏輯分析儀和Synplify綜合工具中已經(jīng)實(shí)施了這些特點(diǎn)。盡管他們?yōu)檎{(diào)試過程提供了這些改進(jìn)，但是，這些方法因需要重新編譯，因而影響原始設(shè)計和減慢信號采集，所以受到限制。
實(shí)際上，對工程師有幫助的，除了邏輯分析儀，還有示波器。這種功能允許實(shí)時顯示器件內(nèi)部信號。用探頭實(shí)時探測FPGA內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)制賦予內(nèi)部信號不同值，觀察對設(shè)計的即時影響，也是十分理想的。此外，探測內(nèi)部存儲器的能力以及SERDES收發(fā)器探測點(diǎn)也是非常有用的。如果能夠提供所有這些能力而不影響FPGA設(shè)計，將顯著簡化調(diào)試過程。
這種方法的一個實(shí)例是美高森美Libero SoC軟件中的SmartDebug工具箱，該工具箱與公司的SmartFusion2、IGLOO2和RTG4 FPGA一起使用。這個工具箱使設(shè)計人員能夠調(diào)試FPGA結(jié)構(gòu)、存儲塊和SERDES，就好象它們正在使用示波器一樣。采用這種智能調(diào)試，可以利用內(nèi)置在FPGA結(jié)構(gòu)中的專用探測點(diǎn)，顯著加快和簡化調(diào)試過程。不需要對設(shè)計進(jìn)行重新編譯就可以選擇不同的探測點(diǎn)。增強(qiáng)的調(diào)試特點(diǎn)可訪問任何邏輯元件，使設(shè)計人員能夠?qū)崟r檢查輸入和輸出狀態(tài)，不影響用戶的FPGA設(shè)計。這些特點(diǎn)包括：
-現(xiàn)場探頭：允許采用兩個專用探頭，經(jīng)配置用于觀察邏輯元件中任何輸入或輸出的探測點(diǎn)(圖1)。然后，探頭數(shù)據(jù)可發(fā)送到示波器或甚至重新引導(dǎo)回到FPGA結(jié)構(gòu)，驅(qū)動內(nèi)部邏輯分析儀。這些探測點(diǎn)是實(shí)時動態(tài)的。探測點(diǎn)可以通過軟件在運(yùn)行中更改，不需要把FPGA重新編譯或重新編程。
-有源探頭：這種特點(diǎn)允許動態(tài)異步讀取或?qū)懭胗|發(fā)器或探測點(diǎn)。這種能力使用戶能夠快速從內(nèi)部觀察邏輯輸出或通過寫入探測點(diǎn)，快速實(shí)驗(yàn)邏輯將受到怎樣的影響。可將任何數(shù)量的信號強(qiáng)制賦予到規(guī)定值，正如現(xiàn)場探頭一樣，不需要把FPGA重新編譯或重新編程。
-探頭插入：這用于在設(shè)計中插入其它探頭，將信號輸出到FPGA封裝引腳，以對設(shè)計進(jìn)行評估和調(diào)試。這種特點(diǎn)確實(shí)需要增加布局布線，從而在I/O增加信號，但并不一定需要完整的重新編譯。
圖1 現(xiàn)場探頭使用實(shí)例(來源：美高森美)
FPGA設(shè)計人員把30%或更多的時間通常花在調(diào)試上。根據(jù)項(xiàng)目的規(guī)模和狀態(tài)，甚至需要更多的調(diào)試時間。由于調(diào)試涉及許多迭代周期，可觀察性和可控性有限，經(jīng)常要重新運(yùn)行布局布線，時序收斂和重新編程，因此調(diào)試是非常痛苦的工作。與僅使用傳統(tǒng)插入邏輯分析儀相比，智能調(diào)試工具使得工程師能夠更快地對他們的FPGA設(shè)計進(jìn)行驗(yàn)證。這些工具使得設(shè)計人員在整個設(shè)計中可以實(shí)時觀察信號和控制信號狀態(tài)，顯著提高了調(diào)試速度。
最近，據(jù)一名客戶報告，他們采用內(nèi)部邏輯分析儀花了一周時間來試圖調(diào)試一個問題。但在采用智能調(diào)試工具代替后，工程師僅僅在兩個小時內(nèi)就找出了問題。最終追蹤到，這個問題來自與工程師采用邏輯分析儀時觀察的一個完全不同的設(shè)計模塊。然后工程師利用有源探頭特點(diǎn)強(qiáng)制賦予不同的數(shù)值，確保電路適當(dāng)響應(yīng)的方式，進(jìn)一步改善了設(shè)計。
對FPGA設(shè)計人員來說，增強(qiáng)調(diào)試能力是影響重大。最新的解決方案能夠顯著縮短調(diào)試驗(yàn)證時間，為FPGA提供無與倫比的可觀察性和可控性。結(jié)果使得，在選擇器件時更重視FPGA調(diào)試能力的設(shè)計人員，可以縮短開發(fā)周期，降低成本，同時顯著加快上市速度。
