[FPGA开发工具使用总结]VIVADO在线调试(1)-信号抓取工具的使用

1简介

在FPGA开发过程中，实时抓取信号进行观测是一种必不可少的问题分析手段。通常厂家会提供一种通过JTAG互联，逻辑资源定制的实时记录信号的调试手段。
通过阅读本文您可以了解到针对VIVADO开发工具的在线分析工具的使用方法。例如，如何添加被测信号，如何准确的观测到被测信号的典型现象，以及通常会遇到的问题等。

2 添加观测信号的几种方法

2.1 通过定制IP核添加

VIVADO提供了一个用于实时抓取信号的IP核，名为ILA（内部逻辑分析仪），用户使用时可在IP Catalog中直接搜索ila进行定制。

ILA core的定制非常简单，通常仅需如下配置即可满足需求。

在使用ILA Core时需要注意，输入被测信号的位宽可以小于等于ILA Core端口的位宽，但是不能使ILA Core端口为空，否则布局布线会失败。
在遇到难以解决的问题时，一个工程中会添加很多的ILA core，此时如果单独定制每一个Core会增加许多繁冗的工作，可先定制一个输入端口与位宽足够的Core，然后按需例化。
如下图是在某个工程中被调用的ILA Core,在调试时打开宏将ILA例化到工程中进行调试，完成调试后通过关闭宏屏蔽掉ILA，该方法可以避免在完成调试后删除ILA过程中的修改引入不必要的BUG。

2.2 通过约束文件添加

通过编写XDC约束文件，亦可实现ILA添加，添加ILA Core的XDC示例文件如下所示。

使用此种方式需要对约束脚本非常熟悉。若不熟悉约束脚本的编写也可通过GUI界面生成约束文件；2.3节将介绍如何生成DEBUG的约束文件。

2.3 通过GUI生成DEBUG约束文件

使用GUI生成约束文件需要先完成工程综合，然后在FlowNavigator窗口中打开Synthesized –>Open Synthesized Design –> Set Up Debug，等待加载设计。

被测信号筛选及添加，综合后原来的信号名基本都会发生变化，可以在信号名的后面带上*以便准确的匹配到。


若想被测信号名称在综合时不被优化掉，可以在综合之前在代码中设置约束。添加mark_debug约束后，被测信号可以很方便的被筛选出来。

添加完信号后设置采样深度等。

完成后可以在底部的Debug窗口看到添加的被观测信号，到这一步还没结束，还需要保存刚才生成的约束才可以重新编译。

直接在Synthesized Design界面中按ctrl+s即可保存刚才生成的约束，弹出下图界面及保存成功。系统会默认保存到target的xdc文件中。推荐用一个专门的XDC文件来保存DEBUG相关约束。

2.4 两种方法的优点与缺点

VIVADO提供了通过IP Core核约束的两种方式添加在线分析逻辑的方法，两种方法优缺点如下所示。

	优点	缺点
通过IP Core添加	IP Core自带网表，节省编译时间；在代码中直接例化，能够快速搭建测试平台。	对跨模块的信号不太友好，代码改动较大。
通过约束添加	方便跨模块信号观测；不在功能代码中做修改，方便完成调试后的代码整理。	编译较慢。

3在线调试方法

3.1 器件扫描设置

VIVADO器件扫描在Flow Navigator 窗口中Open Hardware Manager -> Open Target –>Auto Connect打开。

鼠标右键单击器件信号选择Program Device下载程序（bit文件）。VIVADO也支持将程序（mcs文件）烧写到FLASH启动然后添加LTX文件启动在线调试。

LTX文件在工程路径下/.runs/impl_1/debug_nets.ltx或者.ltx（*为工程名），这两个文件是一样的。烧写完成后会自动刷新出在线DEBUG的窗口，如果没有刷新，可以鼠标右键单击器件信号选择Refresh Device进行手动刷新。

在线调试的界面如下，在大部分的调试过程中，需要用到的窗口有Waveform、Settings、Trigger Setup、Status等几个窗口。

3.2 触发条件设置

触发条件设置如下。

3.3 触发窗口设置

想要准确的观察到信号的变化情况，选择合适的触发窗口非常重要。通常可按如下推荐设置。

3.4 采样过程控制

用户可以通过Status窗口控制采样过程，每次采样需要经过空闲->预触发->等待触发->后触发->满（完成）等几个状态才能观察信号。整个过程会在status窗口中显示出来。

用户可以通过如下所示的按钮控制采样。

此处仅介绍了普通模式的触发方式，更详细的使用方式请参考Xilinx官方的文档UG936

4常见问题

4.1 时钟域的选择

Xilinx的FPGA器件内部有区域时钟、全局时钟、本地时钟等各种类型的时钟信号，在选择采样时钟时应充分考虑布局布线是否能够通过。通常推荐使用全局时钟作为采样时钟，此外若被测信号比较多时也推荐使用全局时钟。当必须使用区域时钟时，布局布线的通过率就必须考虑到。
在通过约束添加DEBUG信号时，需要注意的是，不同时钟采样的被测信号会被放置到不同的观测窗口中，不太容易做到同一时刻采样。也不能进行对比观察。

4.2 缺少LTX文件

如果烧写BIT文件后弹出出现如下界面，则是由于找不到LTX文件导致的。只需根据提示手动添加LTX文件即可。如果是通过FLASH启动，也会弹出如下界面。

4.3 ILA无时钟

如果烧写BIT文件后不能正常弹出DEBUG窗口，手动刷新也没有时，观察Tcl Console窗口是有如下错误，则有很大可能性是没有采样时钟导致（不排除其他因素）。

参考文档

1. ug936-vivado-tutorial-programming-debugging
2. pg172-ila