FPGA设计开发软件ISE使用技巧之：典型实例-ChipScope功能演示

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        6.8  典型实例11：ChipScope功能演示

        6.8.1  实例的内容及目标

        1．实例的主要内容

          本节通过一个简单的计数器，使用ChipScope的两种实现流程，基于Xilinx开发板完成设计至验证的完整过程。本实例的工作环境如下。
          ·  设计软件：ISE 7.1i。
          ·  综合工具：ISE自带的XST。
          ·  仿真软件：ModelSim SE 5.8C。
          ·  在线调试：ChipScope Pro 8.2i。
          ·  硬件平台：红色飓风II代Xilinx开发板。
           
          ·  实例内容：计数器。通过ChipScope Pro观测计数器的计数值，代码参见本书实例代码的“典型实例11”文件夹。其中count_new文件夹对应采用流程1实现的工程，count文件夹对应用流程2实现的工程。
           
          使用ChipScope Pro进行在线调试主要有两种实现流程。
          （1）基于ChipScope Pro Core Generator的实现流程。
          ·  调用ChipScope Pro Core Generator生成逻辑分析仪的网表文件。
          ·  修改用户RTL，插入逻辑分析仪代码。
          ·  综合，实现，下载bit配置文件。
          ·  调用ChipScope Pro Analyzer观察波形。
           
          （2）基于ChipScope Pro Core Inserter，通过新建资源的实现流程。
          ·  对工程文件进行综合，生成网表文件。
          ·  调用ChipScope Pro Core Inserter，插入逻辑分析核。
          ·  布局、布线，生成bit配置文件并下载。
          ·  调用ChipScope Pro Analyzer观察波形。
           
          由上面可以看出，两种实现方式的主要区别在于生成逻辑分析核的方式不同。本实例将分别采用这两种方式应用ChipScope Pro观测FPGA内部信号。
          为了便于读者的理解，本实例将编写一个简单的计数器，通过ChipScope Pro观测计数的数值。代码的功能仿真结果如图6.59所示。

       

        图6.59  计数器功能仿真结果

          其中，count为8位计数值，采用循环计数方式。
           
        2．实例目标

          通过本实例，读者应达到下面的目标。
          ·  熟悉ChipScope工具的使用方法。
          ·  熟悉基于ChipScope Pro Core Generator的实现流程。
          ·  熟悉基于ChipScope Pro Core Inserter的实现流程。
           
        6.8.2  基于ChipScope Pro Core Generator的实现流程

          基于ChipScope Pro Core Generator实现流程的具体步骤如下。
           
          （1）新建工程，添加源代码。
          新建ISE工程后，将源代码文件counter_new.v及约束文件counter.ucf添加至工程中，如图6.60所示。
          （2）启动ChipScope Pro Core Generator。
          运行“开始”/“程序”/“ChipScope Pro 8.2i”/“ChipScope Pro Core Generator”命令，启动ChipScope Pro Core Generator，出现如图6.61所示界面。

                 

                   图6.60  新建工程结果         图6.61  ChipScope Pro Core Generator用户界面

         

          （3）选择集成控制核（ICON核）。
          首先在核类型选择页面中选择生成ICON核，如图6.61所示。
           
          （4）选择目录及器件。
          如图6.62所示，在本实例中选择Spartan3器件。输出路径选择新建工程所在的文件夹。控制端口的数目为1，控制端口的数目可以根据用户的需要设置。如需要观察多组数据时，可以设多组控制端口。这里只需要观察内部计数器的计数值，因此设置为1。
         
          （5）选择语言类型和综合工具。
          如图6.63所示，本实例中设置语言类型为Verilog，综合工具为Xilinx XST。

       

        图6.62  ICON输出路径和FPGA系列设置对话框

       

        图6.63  设置语言和综合工具

         

          （6）生成ICON核。
          如图6.64显示为生成的ICON核的相关信息，如发现有误，可以单击“Previous”按钮做修改后重新生成。

       

        图6.64  生成ICON核

         

          （7）选择集成逻辑分析仪（ILA核）。
          生成ICON核后，单击“Start Over”按钮，回到核类型选择页，如图6.65所示，选择需要生成的核为ILA。

       

        图6.65  生成集成逻辑分析仪

           
          （8）设置输出路径、器件参数和时钟参数。
          如图6.66所示为设置路径为新建工程所在路径，器件为Spartan3，采样时刻为时钟的上升沿。

       

        图6.66  设置ILA输出路径、FPGA器件、采样时刻对话框

         

          （9）设置触发参数。
          触发参数的设置包括：触发端口数目（Number of input Trigger ports）、每个触发端口的触发宽度（Trigger Width）、触发条件判断单元个数（Match Units）和类型（Match Type）等。
           
          此外，“Enable Trigger Sequencer”选项用于使能触发条件链。即设置触发条件为一“条件链”，只有依次满足“条件链”上的各个条件时才会被触发。如图6.67所示，如有与图中参数设置不一致之处，请自行修改。
           
          （10）设置存储深度和数据位宽。
          存储深度即在满足触发条件后要采集多少数据，存储深度的大小由FPGA的RAM资源大小决定。由于ChipScope所采集的数据都是保存在FPGA内部，因此存储深度的大小不能超过FPGA的RAM的最大值。如图6.68所示，选择“Data Same As Trigger”选项表示数据信号与触发信号相同，数据位宽即为触发端口的触发宽度。
           
          （11）设置语言类型和综合工具。
          如图6.69所示，本实例中选择Verilog及Xilinx XST。
         
          （12）生成ILA核。
          单击图6.69中的“Generate Core”按钮，生成逻辑分析仪（ILA），如图6.70所示。

       

        图6.67  设置触发参数对话框

       

        图6.68  设置存储深度和数据位宽对话框

       

        图6.69  设置生成实例的语言类型和综合工具

       

        图6.70  生成ILA核

         

          （13）将ICON和ILA插入设计。
          完成上述步骤后就完成了集成控制核（ICON）和逻辑分析仪（ILA）的生成，系统生成的主要文件如表6.5所示。
          表6.5 ChipScope生成文件列表

icon.edn	集成控制器的网表文件
icon.ncf	集成控制器的网表约束文件
icon_xst_example.v	集成控制器的嵌入式例子代码
ila.end	集成逻辑分析仪的网表文件
ila.ncf	集成逻辑分析仪的网表约束文件
ila_xst_example.v	集成逻辑分析仪的嵌入式例子代码

           
          用户需要做的是根据提供的例程代码来修改自己的代码，将生成的集成控制核和集成逻辑分析仪插入到设计当中。具体修改时，需要在源文件中添加如下代码：
           
            icon i_icon //  ICON core instance,实例化ICON核
              (
                .control0 (control0)
              );
          wire [7:0] trig0;
          ila i_ila //  ILA core instance,实例化ILA核
            (
              .control (control0),
              .clk (clk),
              .trig0 (trig0)
            );
          assign trig0 = count;
           
          从代码中可以看出要做的工作主要是实例化ICON核和ILA核。注意要将观察的信号（在这里为count）与ILA核的输入信号相连接，系统时钟与ILA核的时钟输入相连接，ICON的输出控制信号与ILA的输入控制信号相连接。这样就可以通过修改RTL代码来插入集成逻辑控制器和集成逻辑分析仪了。
           
          （14）综合，布局布线，生成配置文件并下载。
          具体的操作步骤可以参看2.6节的介绍，这里不再详述。需要注意的是ChipScope Pro要通过JTAG接口与器件连接。生成配置文件时，时钟要设置为JTAG Clock。
           
          （15）启动ChipScope Pro Analyzer。
          可通过直接运行“开始”/“程序”/“ChipScope Pro 8.2i”/“ChipScope Pro Analyzer”，也可以在ISE集成环境下，在进程浏览器中双击“Analyze Design Using ChipScope”启动。启动后界面如图6.71所示。
           
          （16）打开JTAG连接。
          单击 图标，打开JTAG并口连接电缆，在此之前要保证已将JTAG与器件连接好，如果连接无误，正常连接后会出现如图6.72所示的界面。
           
          （17）设置触发条件。
          触发条件设置如图6.73所示。

       

        图6.71  ChipScope Pro Analyzer用户界面

       

        图6.72  成功连接后用户界面

       

        图6.73  设置触发条件对话框

         

          设置触发条件函数为“==”，数值为0000_0000（也就是说，触发端口的信号值为0000_0000时开始采集数据）。设置采集深度为8192。这里只有一个触发件M0，只需采用默认即可。当有多个条件时，要在“Trig”选项卡下设置起作用的正确条件，也可将触发条件设置为几个条件的逻辑组合。
         
          （18）开始采样调试。
          单击左上角的 运行按扭，开始采样。捕获触发条件后，ChipScope将采集所设置存储深度的波形，如图6.74所示。

       

        图6.74  采集信号的波形图

         

          在波形显示窗口下可对波形进行放大 和缩小 ，也可以进行局部放缩 。当要观察总线数据时，可以先选中所有总线数据，然后单击右键，选择“Add to Bus”/“New Bus”即可如图6.75所示。

       

        图6.75  组合总线数据

         

          添加成功后，就可以在新生成的Bus下看到总线数据，如图6.76所示。图中DataPort为新生成的总线，设计者可以根据需要修改总线的名称。

       

        图6.76  总线数据生成结果

         

          通过上述步骤就完成了应用ChipScope Pro的一个完整的流程，这种流程是通过修改源代码来添加逻辑分析仪的。下面的流程可以不用修改设计代码，直接将逻辑分析仪插入到设计的网表文件中，使用方便，应用比较广泛。
           
        6.8.3  基于ChipScope Pro Core Inserter的实现流程

          基于ChipScope Pro Core Inserter实现流程的具体步骤如下。
          （1）新建工程，添加源代码。
          参见第一种实现流程的同一步骤。
          （2）新建ChipScope Pro 资源。
           
          选择ISE的“Project”/“New Source”，再选择“ChipScope Definition and Connection”选项，输入新建资源的名称：count，生成count.cdc资源文件。如果有现成的扩展名为cdc的文件，也可以通过“Project”/“Add Source”来添加，如图6.77所示。
          完成后在工程浏览器中可以看到包含的count.cdc文件，如图6.78所示。

                    

             图6.77  新建.cdc资源对话框         图6.78  新建.cdc资源结果

         

          （3）综合。
          与前一种设计流程不同，这里要先对源文件进行综合，在这种设计流程中，ILA核是直接插入到设计综合后生成的逻辑网表中的，因此要先对源文件进行综合。
           
          （4）设置ICON及ILA各项参数。
          在工程浏览器中双击count.cdc文件，打开ChipScope Pro Core Inserter工具，如图6.79所示。

       

        图6.79  ChipScope Pro Core Inserter用户界面

         

          在图中可以看到，这里无需再设置输入网表文件的路径，系统会自动找到网表文件，并设置输出文件的路径。
          单击“Next”按钮进入ICON核设置页面，如图6.80所示。

       

        图6.80  “Select Integrated Controller Options”ICON对话框

         

          其中，“Disable JTAG Clock BUFG Insertion”用于指定是否禁止在JTAG时钟上插入BUFG。如果选中此项，JTAG时钟将使用普通布线资源，而不是全局时钟布线。这里此项不选，用全局时钟布线。
           
          完成ICON核的设置以后，选择单击“Next”按钮，进入ILA核设置页面，如图6.81所示。

       

        图6.81  “Trigger Parameters”选项卡设置

         

          在触发器设置页面中，设置触发端口数、触发宽度、触发条件单元函数和个数等。如有不一致，请读者对照上图修改，设置完毕后单击“Next”按钮出现如图6.82所示对话框。

       

        图6.82  “Capture Parameters”选项卡设置

         

          如图6.82所示，设置存储深度为8192，采样时刻为上升沿。选中“Data Same As Trigger”，即数据信号与触发信号相同。设置完毕后单击“Next”按钮，可以看到已经定义的ILA，如图6.83所示。

       

        图6.83  “Net Connection”选项卡设置

          此时由于还没有对网表进行映射，因此网络线都是呈红色显示。单击“Modify Connection”按钮，设置时钟信号和TRIG信号与要观测的信号的映射关系，如图6.84及6.85所示。

       

        图6.84  设置时钟信号连接

       

        图6.85  设置数据连接

         
          信号连接主要完成时钟信号的连接和触发信号的映射。将clk_BUFGP与Clock Signals中的CH0连接，将count<0>～count<7>的内部信号与Trigger Data Signals的CH0～CH7相连。连接方法很简单，选中要连接的信号，单击“Make Connections”按钮即可。
          当所有信号都连接完毕，“Net Connection”选项卡下显示的网路线会由红色变为黑色。如果仍有信号未连接，则仍为红色，直到所有信号连接完毕。
          设置完毕后，单击“Return To Project”。此时逻辑分析仪已经插入到了工程网表文件当中了，不需要用户再对源代码进行修改。
          （5）布局布线，生成配置文件并下载。
          对工程进行综合、布线布局，之后生成配置文件并下载。
          （6）启动ChipScope Pro Analyzer进行观察。
          启动ChipScope Pro Analyzer后，剩下的步骤与前一种方法完全一致，这里就不再重复说明。
        6.8.4  小结

          本节通过一个具体的实例，详细演示了ChipScope Pro的两种使用方法。希望读者能够按照这两种流程动手练习一下，熟练掌握这一工具的使用。
          在具体应用当中，第二种方法应用得比较广泛，因为无需修改源代码，而且修改逻辑分析仪的各项参数也很方便，因此推荐读者使用第二种方法。ChipScope Pro是个功能很强大的在线逻辑分析工具，熟练地掌握它的用法并应用于自己的设计当中，将会给调试过程带来极大的方便。