对Xilinx Cyclone系列EP2C8Q208C8芯片进行在线测试研究
随着fpga向低成本、低功耗、高性能方向发展，其i／o引脚大多采用微间距tofp或bga封装工艺，因而使引出多种内部信号的i／o引脚以及fpga的验证工作变得非常困难，同时fpga的验证和调试耗时占总开发时间的50％以上。
在验证和调试系统时，传统上是把信号线引到i／o引脚，然后采用示波器、逻辑分析仪或总线分析仪进行测量和分析。由于这些设备相当昂贵，而且调试时又需要许多连线夹，因此一不小心就会烧坏器件或电路板。
伴随着eda 工具的快速发展，altera公司在quartusⅱ软件中开发出一种嵌入式调试工具signaltapⅱ，它是基于逻辑分析核的嵌入式逻辑分析仪，不仅具备普通逻辑分析仪的触发、数据采集和存储功能，还可访问fpga器件内部的所有信号和节点，除altera公司开发的这种嵌入式逻辑分析仪外，其他主流fpga公司，如 xilinx、lattice、actel等也有相似技术，其中最具代表性的是xilinx公司的chipscope pro工具，它是专为xilinx fpga系统内的凋试而设计的。chip-scope pro核心集成在fpga中，支持所有xilinx fpga系列，并通过标准的jtag端口提供实时的调试和验证能力。
2 signaltap ii原理
signaltap ii嵌入逻辑分析仪是专门用于quartus ii设计软件中的第二代系统级调试工具。对于嵌人式逻辑分析仪内核（知识产权ip核）插入fpga的设计，同时提供触发功能和存储功能。在fpga运行过程中，满足触发条件时signaltapⅱ将启动采样并储存数据，采样数据不断刷新片内存储器内容。signaltapⅱ通过下载线byteblasterⅱ，将捕获到的信号数据从器件的ram资源载至quartusⅱ开发环境，以实时显示波形。这样就能使开发者在整个设计过程中，以系统级的速度来观察硬件和软件的交互作用。
目前，signaltapⅱ逻辑分析仪可以支持的器件系列有：cyclone、cycloneⅱ、cyclone ⅲ、apextⅱ、apex 20ke、apex20kc、apex20k、excalibur、mercury、stratix gx、stratix、stratixⅱ、stratix ⅲ等。
3 signaltapⅱ使用方法
使用signaltapⅱ的一般程序是：设计人员在完成设计并编译工程后，建立signaltap ⅱ（.stp）文件，并加入工程、配置stp文件、编译并下载没计到fpga、在quartus ⅱ软件中显示被测信号的仿真波形。
设置signaltapⅱ文件的基本流程如下：
（1）设置采样时钟。决定了显示信号波形的分辨率，根据altera公司的建议最好使用全局时钟，而非门控时钟，否则会使采样时钟处于不能准确反映设计数据的状态。
（2）配置采样深度，确定ram的大小。用户可指定要观测数据的采样点数，即数据存储深度。
（3）设置buffer acquisition mode。包括循环采样存储和连续采样存储两种模式。图1给出stp参数配置过程。
（4）触发级别。signaltapⅱ是支持多触发级的触发方式，最多可支持10级触发。在多级触发中，signaltapⅱ首先对第一级触发模式进行触发；当第一级触发表达式满足条件，测试结果为true时，signaltapⅱ对第二级触发表达式进行测试；依次类推，直到所有触发级均完成测试，并且最后一级触发条件为true时，signaltapⅱ开始捕捉信号状态。
（5）触发条件。可以设定复杂的触发条件用以捕获相应的数据，以协助调试设计。当满足触发条件时，在signaltapⅱ时钟的上升沿采样被测信号。
（6）设置被测信号。在signaltapⅱ逻辑分析仪窗口，双击鼠标左键，弹出的node finder对话框，在filter中选择要加人stp文件的节点或总线。图2所示给出了待测信号及触发设置。
完成stp设置后，加载sam对象文件（.sof），在device列表中选择目标器件，点击program device图标进行器件编程，点击run analysis进行采集、分析数据，如图3所示。
4 实例分析
现以ft245bm型usb与ep2c8 0208c8n型fpga间的简单通信为实例，具体说明如何采用signaltapⅱ验证fpga的设计。其顶层设计文件如图4所示。
ft245bm是ftdi（future technology devices intlltd）公司的一种快速usb通信接口。它无需编写片内固件程序。ftdi公司提供d2xx官方驱动程序，使用d2xx驱动程序能获得更好的数据传输性能，且传输速率最大可达1 mb／s。
ft245bm的主要功能是在内部硬件逻辑的作用下实现usb串行数据格式与并行数据格式的双向转换。pc机通过usb接口与ft245bm进行数据交换，ft245bm通过并行方式与下位微控制器通信。利用单芯片实现usb与并行fifo缓冲区的双向数据传输；通过简单的四线握手信号与fpga等逻辑器件接口；ft245bm通过8位并行数据口d［0，7］和4位读写状态／控制口rxf#、txe#、rd#、wr实现与ep2c8交换数据，而pc机与ft245bm间通过uisb总线传输数据。可选的外部eeprom用于存储usb设备的特定信息，通过eecs、eesk、eedata来完成数据的写入和读出。
在调试中，按照上述signaltapⅱ的使用步骤，在编译后的工程中添加stp文件，并对文件进行设置。首先设置采样时钟gclk，系统时钟采用32.768 mhz；然后添加采样深度的设置，设为2 k；最后在stp文件中将buffer acquisitionmode分别设为连续存储和循环采样存储两种模式进行验证。连续存储方式记录采样操作的连续过程，而在循环采样存储方式下signaltapⅱ记录多次采样时刻数据。
当外部实验开发系统连接好后，进行编译下载。单击signaltapⅱ面板上的autorun analysis按钮，启动signaltapⅱ进行采样和分析，此时就能从signaltadⅱ数据窗通过jtag口观察到来自实验板上fpga内部的实时信号，该实例的输出信号如图5所示。
实际中将遇到许多竞争处理和不完善的地方，然而由于使用了signaltapⅱ工具，所以能直观地看到内部的逻辑状况，这大大减少了开发周期，并能顺利地进行调试。
5 结语
quartus中的signaltapⅱ工具成功克服了传统逻辑分析仪的缺点，提供了一个测试器件的很好途径，还具有实时可视性，大大减少了调试、验证过程花费的时间，加快了设计周期。通过对cycloneⅱ系列ep2c8q208c8进行实验，证实该测试手段大大提高了系统的调试能力，效果很好。但需注意的是，它是一块自主逻辑，需要占据fpga资源。比如ram，le等，资源消耗量与需采集的数据量成正比。因此不能无限制地采集信号，一般采集信号的深度不大。再者，由于时钟的限制，无法看到有毛刺的现象，实际应用中也存在一定的限制。另外，signaltapⅱ工作在jtag方式，调试完成后，需将signaltapⅱ移除设计，以免浪费资源。
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（1）设置采样时钟。决定了显示信号波形的分辨率，根据altera公司的建议最好使用全局时钟，而非门控时钟，否则会使采样时钟处于不能准确反映设计数据的状态。
（2）配置采样深度，确定ram的大小。用户可指定要观测数据的采样点数，即数据存储深度。
（3）设置buffer acquisition mode。包括循环采样存储和连续采样存储两种模式。图1给出stp参数配置过程。
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