基于FPGA的PCI總線接口硬件調試策略

0 引言
在FPGA的設計流程中，完成設計輸入以及成功綜合、布局布線，只能說明設計符合一定的語法規范，而并不能保證其滿足設計人員對功能的要求，因而需要通過仿真對設計進行驗證。仿真驗證的目的是為了發現設計的問題，而一旦發現，就需要千方百計地通過調試找到問題所在，這其實也是設計中比較困難的。
隨著FPGA可編程器件容量的不斷增大和設計復雜度的日益提高，功能調試已經成為一個很繁重的任務。為了使設計的產品盡快投入市場，設計人員需要一種簡易有效的測試工具，以盡可能縮短測試時間，提高測試效率。傳統的邏輯分析儀在測試復雜的FPGA設計時，會面臨以下幾點問題：
1) I／O引腳有限。設計中器件的選擇依據設計規模而定，通常所選器件的I／O引腳數目和設計的需求是恰好匹配的；
2) I／O引腳難以引出。設計者為減小電路板的面積，大都采用細間距工藝技術，這在不改變PCB板布線的情況下引出I／O引腳非常困難；
3)外接邏輯分析器有可能改變FPGA設計中信號的原來狀態，因此，很難保證待測信號的正確性；
4)傳統的邏輯分析器價格昂貴，會增加設計成本。

1 Signal Tap硬件調試原理
為了盡快使設計的產品投入市場，就要盡可能地縮短設計驗證所耗費的時間。為此，Altera公司推出了一種新的調試工具。這種型號的Sig-nal TapⅡ的邏輯分析器具有無干擾、便于升級、使用簡單、價格低廉等優點，可滿足FPGA開發中硬件調試的要求。
Signal TapⅡ邏輯分析器集成到QuartusⅡ設計軟件中，能夠捕獲和顯示可編程單芯片系統(SOPC)設計中的實時信號狀態，這樣，開發者就可以在整個設計過程中以系統級速度觀察硬件和軟件的交互。Signal TapⅡ可支持多達1024個通道，采樣深度高達128KB，每個分析器均有1O級觸發輸入／輸出，從而增加了采樣的精度。可以說，Signal TapⅡ為設計者提供了業界領先的SOPC設計的實時可視性，它能夠大大減少驗證過程中所花費的時間。目前，SignalTapⅡ邏輯分析器可以支持的器件系列包括：APEXT　II，APEX20KE，APEX20KC，APEX20K，Cyclone，Ex-calibur，Mercury，Stratix GX，Stratix等。Signal　TapⅡ將邏輯分析模塊嵌入到FPGA中，圖1所示是Signal　TapⅡ的嵌入式邏輯分析器結構框圖。圖中，邏輯分析模塊可對待測節點數據進行捕獲。并將數據通過JTAG接口從FPGA傳送到QuartusⅡ中顯示。使用Signal TapⅡ無需額外的邏輯分析設備，只需將一根JTAG接口的下載電纜連接到要調試的FPGA器件，Signal TapⅡ在對FPGA的引腳和內部的連線信號進行捕獲后，便可將數據存儲在FPGA的RAM塊中。因此，需要為采樣信號、觸發信號和待測信號預留一定數目的RAM塊。

2 使用Signal Tap的一般流程
圖2所示是Signal TapⅡ的調試流程示意圖。使用Signal TapⅡ的一般流程，是在完成設計并編譯工程后，建立Signal TapⅡ(．stp)文件并加入工程，然后再配置STP文件，并將其編譯并下載設計到FPGA中，接著在QuartusⅡ軟件中顯示被測信號的波形，并在測試完畢后將該邏輯分析器從項目中刪除。

其Signal TapⅡ文件設置和采集信號數據的基本流程如下：
(1)建立新的Signal TapⅡ文件；
(2)設置采樣時鐘。采樣時鐘決定了顯示信號波形的分辨率，它的頻率要大于被測信號的最高頻率，否則將無法正確反映被測信號波形的變化。Signal TapⅡ通常在時鐘上升沿將被測信號存儲到緩存。