FPGA零基礎(chǔ)學習精選 | Signal tap 邏輯分析儀使用教程

作者：郝旭帥??校對：陸輝

大俠好，歡迎來到FPGA技術(shù)江湖，江湖偌大，相見即是緣分。大俠可以關(guān)注FPGA技術(shù)江湖，在“闖蕩江湖”、"行俠仗義"欄里獲取其他感興趣的資源，或者一起煮酒言歡。

本系列將帶來FPGA的系統(tǒng)性學習，從最基本的數(shù)字電路基礎(chǔ)開始，最詳細操作步驟，最直白的言語描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業(yè)學生、初入職場小白及打算進階提升的職業(yè)開發(fā)者都可以有系統(tǒng)性學習的機會。

系統(tǒng)性的掌握技術(shù)開發(fā)以及相關(guān)要求，對個人就業(yè)以及職業(yè)發(fā)展都有著潛在的幫助，希望對大家有所幫助。后續(xù)會陸續(xù)更新 Xilinx 的 Vivado、ISE 及相關(guān)操作軟件的開發(fā)的相關(guān)內(nèi)容，學習FPGA設(shè)計方法及設(shè)計思想的同時，實操結(jié)合各類操作軟件，會讓你在技術(shù)學習道路上無比的順暢，告別技術(shù)學習小BUG卡破腦殼，告別目前忽悠性的培訓誘導，真正的去學習去實戰(zhàn)應用。話不多說，上貨。

signal tap 邏輯分析儀使用教程

在之前的設(shè)計開發(fā)時，利用modelsim得出中間某單元的數(shù)據(jù)，并且輸入也是設(shè)計者在testbench中自己給出的。但是，實際應用時，外部輸入的信號不一定和我們在testbench中所描述輸入的信號相同，就有可能導致RTL仿真成功，但是下板測試失敗。

signal tap logic analyzer 采集并顯示FPGA設(shè)計中的實時信號行為，從而無需額外的I/O管腳或者外部實驗室設(shè)備即可檢查正常器件操作期間內(nèi)部信號的行為。

在數(shù)據(jù)獲取期間，器件中的存儲器模塊存儲采集的數(shù)據(jù)，然后通過JTAG通信電纜將數(shù)據(jù)傳輸到邏輯分析儀。

下圖為signal tap logic analyzer的任務流程。

設(shè)計要求

利用邏輯分析儀測量出電腦發(fā)送UART（波特率為115200時）是每bit時間寬度。

設(shè)計分析

在UART協(xié)議中規(guī)定了每bit的時間寬度應該是1秒鐘除以波特率，但是在實際電路中相同標號的兩個晶振也會有一定的誤差。我們可以利用邏輯分析儀（也就是利用FPGA的時鐘）去測量一下PC發(fā)送UART時的bit時間寬度。

由于波特率為115200，在采樣時，一般采用16倍頻采樣。此時采樣頻率比較高，由基礎(chǔ)的50MHz的時鐘不能夠做出精確的16倍頻，由此也會帶來一定的誤差。

利用邏輯分析儀就可以看到在上述兩個都有誤差的情況，真實采樣的偏差，以及偏差對我們的設(shè)計是否有影響。

設(shè)計實現(xiàn)

將_9_uart_drive 復制一份，命名為_10_uart_drive_signal_tap。然后打開此工程，將波特率修改為115200。

點擊tools -> signal tap logic analyzer。

在右側(cè)窗口signal configuration中，首先需要指定一個采樣時鐘信號。

邏輯分析儀在采樣時鐘的每個上升沿進行數(shù)據(jù)采樣。邏輯分析儀不支持在采樣時鐘的下降沿進行數(shù)據(jù)采樣。設(shè)計中的任何信號都可以用作采樣時鐘。但是，為了獲得最佳的數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，請使用與被測信號同步的全局時鐘。

在本設(shè)計中，所有的信號都是由外部的clk信號進行驅(qū)動的，所以此采樣時鐘，選擇為clk。點擊clock對話框后面的三個點。將filter選擇為pin：all，點擊list，在matching nodes中選擇clk，點擊“大于”，在nodes found中出現(xiàn)clk，然后點擊ok。

配置完采樣時鐘信號后，需要配置采樣深度。

針對被采樣的數(shù)據(jù)中的每個信號，采樣深度指定了采樣和存儲的樣本的數(shù)量。在器件存儲器資源有限的情況下，由于所選的深度太大，設(shè)計可能無法編譯。此時需要降低采樣深度以減少資源使用。

采樣深度乘以采樣的間隔就確定了采樣的時間寬度?，F(xiàn)在我們要做的是采樣一個UART的協(xié)議幀，一個協(xié)議幀共有12個bit。按照115200的波特率，采樣的時間寬度應該是104166ns，所以采樣深度應該是5208，在此選擇采樣深度為8K。

當確定好采樣深度后，可以指定邏輯分析儀在觸發(fā)事件之前和之后 采樣的數(shù)據(jù)量。

邏輯分析儀提供三種選擇。Pre表示12%的存儲深度用作觸發(fā)事件之前，88%的存儲深度用作觸發(fā)事件之后；Center表示50%的存儲深度用作觸發(fā)事件之前，50%的存儲深度用作觸發(fā)事件之后；Post表示88%的存儲深度用作觸發(fā)事件之前，12%的存儲深度用作觸發(fā)事件之后。

在此選擇Pre。

配置好這些信息后，開始添加需要觀測的信號。

在setup界面，在空白界面雙擊，添加想要觀測的信號。

需要觀測的信號有uart_txd、uart_rxd、cap_cnt。

uart_txd和uart_rxd為端口信號，選擇filter時，選擇PIN：all即可，cap_cnt為內(nèi)部信號，選擇filter時，選擇signal tap ：pre-synthesis。

將uart_rxd的下降沿設(shè)置為觸發(fā)條件。

在uart_rxd的trigger conditions的位置，右擊，選擇falling edge。

點擊保存，保存到qprj，命名為stp1.stp。

使能邏輯分析儀。點擊Yes。

回到quartus界面，進行綜合分析并形成配置文件。

在工程向?qū)У慕Y(jié)構(gòu)界面，可以看到在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了兩個未知的組件。這兩個就是邏輯分析儀。

在報告中，可以看到使用的邏輯資源和存儲器資源增多。

回到signal tap界面，并且連接PC和開發(fā)板。

在hardware中，選擇USB – blaster。

點擊sof manager后面的三個小點，選擇生成的sof文件，然后點擊下載。

點擊運行分析。

此時邏輯分析儀就在等待被觸發(fā)。

觸發(fā)條件為uart_rxd的下降沿，打開串口助手，配置好后，發(fā)送一個數(shù)據(jù)11。

發(fā)送之后，邏輯分析儀中出現(xiàn)了波形。因為發(fā)送為11，發(fā)送數(shù)據(jù)從低位開始，故而第一個數(shù)據(jù)應該為1。所以第一端低電平為起始位，可以通過采樣的數(shù)字標號，確定它的時間寬度。

左鍵是放大，右鍵是縮小。

左側(cè)為0，因為利用下降沿作為觸發(fā)條件。放大左側(cè)數(shù)字為434。

所以起始位的時間寬度為434x20ns，即8680ns。按照波特率為115200計算，每一個bit的時間寬度應該是8680.5556ns。這就證明PC發(fā)過來的bit的時間寬度和我們所預想的是一致的。

可以用此方法測量其他的bit的寬度，有的bit的寬度要比8680ns要少，有的bit的寬度要比8680ns要多，但是偏差不多。

由于真正的寬度和我們認為的寬度有一定的區(qū)別。但是設(shè)計是按照每個bit的寬度都是20ns的整數(shù)倍，所以在采樣時，就會有偏差。通過cap_cnt可以看出來，并且隨著采樣的越長，誤差累計就會越大。

在數(shù)據(jù)的第一個bit時，cap_cnt等于7，馬上要變?yōu)?。按照cap_cnt的計數(shù)規(guī)律是波特率的16倍頻設(shè)計，所以后面所有的bit起始時，都應該是16 *N + 7，并且馬上要變?yōu)?6 * N + 8。但是真實的時間寬度和預想的時間寬度有一定的偏差。

在最后的校驗位的起始時，cap_cnt的數(shù)據(jù)按照16倍頻采樣來說，應該是135，然后快變?yōu)?36才對。但是此時已經(jīng)等于136，并且馬上變137。

我們是按照cap_cnt去進行采樣的（在cap_cnt變化的位置采樣）。

因為有誤差，所以規(guī)定UART的協(xié)議幀的長度不能夠過長。即中間的數(shù)據(jù)位的個數(shù)不能隨意增加。

上述分析步驟的數(shù)字只是筆者的測驗結(jié)果，不同的PC和開發(fā)板測試時，可能會得到不同的結(jié)果。

邏輯分析儀總結(jié)

利用邏輯分析儀可以直接查看到開發(fā)板內(nèi)部運行的波形。所以在很多時候，都是利用邏輯分析儀進行板級測試作為最終結(jié)果。

如果不需要工程中的邏輯分析儀，可以打開assignments -> settings –> signal tap logic analyzer，將使能的對勾去掉，然后重新編譯就可以了。