FPGA研發之道(5)從零開始調試FPGA

　　“合抱之木，生于毫末;九層之臺，起于壘土;千里之行，始于足下。” 老子《道德經》

　　對于新手來說，如何上手調試FPGA是關鍵的一步。

　　對于每一個新設計的FPGA板卡，也需要從零開始調試。

　　那么如何開始調試?

　　下面介紹一種簡易的調試方法。

　　(1) 至少設定一個輸入時鐘 input sys_clk;

　　(2) 設定輸出 output [N-1:0] led;

　　(3)設定32位計數器 reg [31:0] led_cnt;

　　(4) 時鐘驅動計數器開始工作

　　always@(posedge sys_clk)

　　led_cnt <= led_cnt + 1

　　(5)輸出led信號。

　　assign led = led_cnt[M:N];

　　程序完成。

　　(6)設定管教約束

　　如果為XILINX FPGA ，在UCF文件中 NET “sys_clk” LOC = 管腳名稱

　　如果為ALTERA FPGA ，在QSF文件中，添加 set_location_assignment 管腳名稱 -to sys_clk

　　其他管腳，可依次類推。

　　(7)編譯，布局、布線，生成配置文件。

　　XILINX 生成BIT文件。

　　ALTERA 生成SOF文件

　　(8)連接JTAG，下載相應的配置文件。

　　(9)觀察是否閃燈(肉眼可見)。

　　關于閃燈的解釋如下：

　　assign led = led_cnt[M:N]; led_cnt 為32bit的信號，需要幾個閃燈，則根據輸入時鐘的頻率和肉眼能夠分辨的時間(100ms)。如輸出時鐘為25Mhz。則閃燈看見的位置能夠分批到10hz。需分頻2.5M= 32‘h2625A0,因此，則需要輸出至少為led_cnt[21]位，才能看到閃燈。

　　雖然程序簡單，但是，通過調試可以確認：

　　(1)首先可確定JTAG下載器的正確連接，能夠正常下載下載文件。如不能，常見問題包括

　　(一)檢查是否安裝驅動。

　　(二)下載器是否由紅燈變成黃燈/綠燈。如紅燈亮一般情況下，JTAG的與電路板VCC沒有供電。

　　(三)檢查JTAG連接的線序。

　　(四)檢查JTAG電路，檢查原理圖上TMS，TDI，TDO的上拉和下拉電阻是否與datasheet中一致。

　　通過以上四種方式，可排除絕大部分JTAG下載的錯誤。

　　(2)可以判斷晶振是否起振，下載后無燈閃。

　　(一)首先，示波器查看晶振頻率，觀察晶振的輸出，如無輸出，查看晶振的電源和地信號，如電源正常，而晶振無反應，則更換晶振。

　　(二)如無示波器，也有替代的方法，通過嵌入式邏輯分析儀抓信號(任意信號)。如邏輯分析儀點擊采樣后無反應，則無時鐘輸入。

　　這是因為邏輯分析儀也需要時鐘進行邏輯值的存儲。

　　(3)如正常下載后閃燈，證明該FPGA板卡硬件設計上能夠達到最低限度的FPGA調試狀態。

　　最后，說明一下，為什么是閃燈而不是亮燈的程序，這是因為，首先閃燈可以判斷外部晶振工作正常，并且由于LED等通常為上拉，也就是說邏輯值0表示燈亮，而也不排除某硬件工程師非要下拉。邏輯1表示亮。因此采用閃燈更加方便。

　　問題：為什么LED燈值為什么要上拉?

　　這是因為：LED上拉后，需要燈亮時電流由外部電源提供，而下拉，燈亮時電流由芯片的CMOS電路驅動。這種在設計中應避免。