隨著基于FPGA進行原型設(shè)計的復(fù)雜性不斷增加，市場對更好調(diào)試技術(shù)的需求也日益增加。FPGA原型設(shè)計可用于驗證、早期軟件開發(fā)、概念證明等，因此變得非常重要。它的主要職責(zé)仍然是執(zhí)行這些任務(wù)，而不是試圖找出因原型構(gòu)建錯誤而造成的問題。
根據(jù)可用的設(shè)計或現(xiàn)有任務(wù)類型，可能需要不同的調(diào)試技術(shù)。采用合適的調(diào)試技術(shù)還可以縮短FPGA設(shè)計的驗證周期。
本文描述了有關(guān)FPGA的一些調(diào)試技術(shù)，采用這些技術(shù)可以加快驗證過程，文章同時也指出了它們的局限性。這些調(diào)試技術(shù)可以用于硅前驗證過程中所面臨的各種挑戰(zhàn)或問題，后面我們將會討論。
RTL仿真
在RTL還沒有完全穩(wěn)定時，原型設(shè)計的一個主要需求是訪問和監(jiān)控內(nèi)部信號的活動，這有助于找到造成問題的根源，無論問題是由于原型錯誤還是RTL本身的一些異常造成的。
測試時，RTL仿真需要在模塊周圍建立一個完整的原型驗證仿真環(huán)境，能夠給予激勵，滿足內(nèi)存要求（如果有的話），監(jiān)控設(shè)計錯誤等。
圖1顯示了此類RTL仿真設(shè)計模型。
圖1：RTL仿真模型
圖字：要求 驗證計劃 原型RTL仿真 原型RTL模型 執(zhí)行板上工作 找到Bug？ 去除bug執(zhí)行所有工作？
假設(shè)/優(yōu)勢
● 此調(diào)試方法非常適用，而且在處理設(shè)計規(guī)模問題時，可以進行調(diào)整，目前驗證工具可以輕松地處理設(shè)計規(guī)模問題，但要求仿真時間不能很長，否則會使這種工作幾乎沒有ROI（投資回報率），而要配備復(fù)雜的測試臺。
● 如果是一個已經(jīng)獲得驗證的設(shè)計，它能重新使用現(xiàn)有的驗證測試平臺，這樣就不需要從頭開始構(gòu)建，可以節(jié)省時間和精力。
● 工作重點應(yīng)該側(cè)重于調(diào)整現(xiàn)有測試平臺，以便使其不需要任何大的更改，就能夠運行驗證測試套件。
● 可以縮小問題，選擇只運行失敗仿真，減少對仿真的依賴，檢查可能引起問題的信號的仿真波形。
局限性
● 如果是大規(guī)模設(shè)計，幾乎不可能查看設(shè)計中的每個信號、監(jiān)控其行為。
● 采用這種方法的一個前提條件是，驗證工程師或軟件工程師應(yīng)該對設(shè)計和內(nèi)部信號具有良好的洞察。
● 此方法比較費時，而且需要軟件開發(fā)人員付出額外的努力。
● 在設(shè)計被分區(qū)的情況下，RTL仿真可能沒有幫助。假設(shè)我們主要試圖“再利用”頂層驗證環(huán)境，并使其輕松為“受測設(shè)備原型”工作，要創(chuàng)建更多的層次和設(shè)計分區(qū)，則會需要進行額外的工作，以修改安裝在獨立驗證環(huán)境中的內(nèi)部信號探針。
● 調(diào)試涉及復(fù)雜處理的大規(guī)?？焖倭鬏敵鰯?shù)據(jù)設(shè)計可能具有挑戰(zhàn)性，因為這個問題可能在設(shè)計層次的各個層級存在。
在復(fù)雜的設(shè)計中，必須考慮一些更好、更快的調(diào)試方式，我們將在后面的章節(jié)中討論。
使用邏輯分析儀的硬件調(diào)試
當(dāng)調(diào)試總線位于FPGA的外部引腳上，并通過邏輯分析儀觀察它們時，硬件調(diào)試涉及內(nèi)部信號的呈現(xiàn)。這種調(diào)試技術(shù)對小型邏輯設(shè)計真的非常有幫助，因為驗證工程師也可以使用邏輯分析儀觀察到內(nèi)部設(shè)計信號，從而使調(diào)試更加方便快捷。
圖2顯示了此調(diào)試模型。
圖2：使用邏輯分析儀的硬件調(diào)試
圖字：邏輯分析儀 邏輯設(shè)計
在這里，可編程的邏輯設(shè)計在目標(biāo)系統(tǒng)中高速運行，可以在真實環(huán)境下查看邏輯行為。
假設(shè)/優(yōu)勢
● 如無法利用驗證測試平臺仿真環(huán)境，可以采用這種方法進行調(diào)試，因為從頭開始建立驗證測試平臺的仿真環(huán)境可能既繁瑣又費時。
● 此方法可以加快調(diào)試過程，因為它使驗證工程師能查看內(nèi)部設(shè)計信號的活動。
● 此方法提供了一個進入運行設(shè)備的窗口，不需要執(zhí)行任何額外的軟件任務(wù)。
● 由于所有驗證情況都在FPGA板上執(zhí)行，因此這種方法可以用于設(shè)計，否則一般需要相當(dāng)長的仿真時間。
局限性
● 設(shè)計人員需要手工調(diào)試設(shè)計，每次都需要手工編輯進行重復(fù)調(diào)試。調(diào)試需要內(nèi)部節(jié)點，沒有在設(shè)計頂層就必須將它們路由到頂層。
● 電路板上的可用引腳數(shù)量制約著探針數(shù)量。
● 此方法需要在邏輯分析儀查看器中輸入信號名稱，以便跟蹤所顯示的設(shè)計信號，因而變得很繁瑣。
● 設(shè)計中的路由探針可能會導(dǎo)致設(shè)備運行或定時問題。
因此，用邏輯分析儀進行調(diào)試會非常耗時，喪失活力，不能用于調(diào)試復(fù)雜的設(shè)計。
插入板上調(diào)試邏輯
具有復(fù)雜邏輯實施的設(shè)計通常需要實時調(diào)試功能。這些都是更深入地洞察設(shè)計所必需的，無需建立復(fù)雜的測試平臺架構(gòu)或?qū)嵤┩獠坑布?/p>
a) 插入調(diào)試邏輯以及基于FPGA的設(shè)計只需在初始時付出一些一次性的努力，因而可以節(jié)省調(diào)試時間和原本很大的精力。這將涉及編寫驅(qū)動的綜合邏輯，監(jiān)控可以與設(shè)計本身集成、并可以移植到FPGA的IP。圖3顯示了使用板上調(diào)試邏輯的調(diào)試模型。
圖3：使用板上邏輯的調(diào)試模型
圖字：AHB，IPS通用界面 驅(qū)動IP 測試中的模塊 監(jiān)控IP
另外，此板上邏輯可以使存儲器映射，以便通過調(diào)試器提取結(jié)果或在運行中驅(qū)動輸入。
b) 可以采用另一種方法讀取調(diào)試信號--使它們的存儲器映射。然后，可以使用調(diào)試器讀出這些值或通過CPU將這些值與這些信號的預(yù)測值進行比較。如果從設(shè)計輸 出數(shù)據(jù)出現(xiàn)的速度比讀出的速度更快，則可以實施FIFO。輸入數(shù)據(jù)能以更快的速率存儲，以更低的調(diào)試器時鐘頻率讀出?？紤]到這兩個時鐘的頻率，可以確定 FIFO的深度。
假設(shè)/優(yōu)勢
● 墊或GPIO消除可能因外部連接所引起的問題，因而不需要從外部驅(qū)動激勵。
● 頻率沒有被外部驅(qū)動頻率限制。
● 驅(qū)動激勵和監(jiān)控結(jié)果是實時的，使調(diào)試速度更快。
● 顯示器完全不需要獲得外部引腳上的節(jié)點，因為可以從內(nèi)部檢查它們，使用那些存儲器被映射的寄存器標(biāo)記錯誤。
● 不需要位文件生成任何額外的循環(huán)來增加調(diào)試總線信號。
局限性
● 驅(qū)動器和顯示器需要是可綜合的，因此可能無法在驗證測試平臺重新使用它們。
● 驅(qū)動器和顯示器所使用的邏輯可能會導(dǎo)致過度利用FPGA資源。
● 采用此方法可能出現(xiàn)以下情況：如果其中任何一個有內(nèi)存要求，而且超過了可用的FPGA資源，就不能實施驅(qū)動器和監(jiān)視器。
● 添加額外的邏輯（如驅(qū)動器或監(jiān)視器）可能導(dǎo)致難以滿足設(shè)計所需的時序要求。
實時調(diào)試工具
這些調(diào)試工具不需要在板的頂層提取內(nèi)部設(shè)計信號，并提供信號探測功能，以及實時調(diào)試。
在此類別中有多種工具，可用于實時調(diào)試設(shè)備。選擇合適工具的最佳方式將取決于設(shè)計的復(fù)雜性和功能以及所使用的FPGA技 術(shù)。這些工具在設(shè)計中用于插入探針，以便轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)，并可控制啟動數(shù)據(jù)存儲的特定觸發(fā)器。設(shè)計得到檢測后，通過綜合、布局、布線在某個設(shè)備上實施，這樣，工 具提供的GUI界面可以用來檢查結(jié)果。使用這些工具可觀察到設(shè)計層次中的任何層級，因而不需要為了在設(shè)計頂層獲得它們而執(zhí)行額外任務(wù)。
這樣的工具很少利用FPGA自身資源，像板上存儲器，用于儲存數(shù)據(jù)，而且它們不需要任何外部硬件。圖4顯示了此調(diào)試方法。
圖4：使用板上資源的調(diào)試工具
圖字：將波形從電路板中倒出，進行調(diào)試 信號探測 板上存儲器 邏輯設(shè)計
但這類工具所面臨的問題是：插裝探針后，設(shè)計在工作頻率和路由擁塞方面會有不可測的操作。
當(dāng)然還有一些其他工具，也具有實時功能，可靈活配置運行觸發(fā)器。這些工具都配有相關(guān)硬件，因而提供必要的數(shù)據(jù)儲存，不使用任何FPGA資源。圖5顯示了這種調(diào)試方法。
圖5：使用外部硬件的調(diào)試工具
圖字：信號探測 將波形從電路板中倒出，進行調(diào)試 外部硬件（特定工具） 邏輯設(shè)計
假設(shè)/優(yōu)勢
● 對于I/O數(shù)量相對較大的設(shè)計可以采用此調(diào)試方法，因為它不需要在電路板的頂層提取內(nèi)部信號。
● 此方法可以用于設(shè)計仿真良好、但一旦集成到FPGA中、就不顯示預(yù)期行為的情況。同樣，調(diào)試這些問題需要不僅提供實時調(diào)試，而且還有信號探測功能的工具。
● 這些工具使調(diào)試過程變得相對容易，因為它們通常將波形/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲為使用最常用的仿真工具可以打開的格式。
● 這樣的調(diào)試工具還能儲存在自己的相關(guān)存儲器中捕獲的波形，它消耗FPGA板的資源，因而通常不用限制設(shè)計。
局限性
● 必需安裝外部硬件和軟件。
● 調(diào)試節(jié)點有數(shù)量限制。
● 設(shè)計層次的可見性取決于用于儲存轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)的存儲器。
● 可獲得的頻率降低。
解決方法之一是：采用來自一個特定分層體或模塊的插裝信號創(chuàng)建同步build，這樣，可以采用調(diào)試模塊或塊的信號在比特流上運行一組測試。在執(zhí)行階段遇到問題后，這肯定會節(jié)省創(chuàng)建build的時間。
本文小結(jié)
很顯然，現(xiàn)在還沒有出現(xiàn)公認(rèn)的通用調(diào)試技術(shù)，而且沒有適合所有設(shè)計驗證的調(diào)試技術(shù)。不同的調(diào)試技術(shù)有不同的局限性和限制，但是，如果選擇得當(dāng)，這些調(diào)試工具/技術(shù)真的可以有助于減少調(diào)試工作，縮短調(diào)試周期。
縮短調(diào)試時間可能成為加快硅前驗證的一個偉大的里程碑。加快硅前驗證是首要要求，這樣才能滿足上市時間需求，能夠推出第一個全功能硅。