原创 【博客大赛】【原创】Virtual JTAG调试平台的建设

• Virtual JTAG megafunction 端口定义

表1 VJ核输入端口

表2 VJ核输出端口：

      表3 High-level Virtual JTAG State Signals

上面三个表是VJ核的基本端口描述，在VJ核的user guide或者Quartus II软件的帮助里可以找得到。

       关于Virtual JTAG测试平台的建设，主要分两个部分，一个部分是基于FPGA的底层设计，主要就是例化VJ核，以及相关的逻辑接口设计；另外一个部分是应用层的用户接口（GUI）的设计，主要是采用TCL语言设计友好的用户界面。

• 基于Virtual JTAG的底层FPGA逻辑设计

       FPGA的底层逻辑设计，在前面的“如何有效利用Virtual JTAG进行电路调试”一文中有过简略介绍。在那个文章里介绍了如何在FPGA里例化一个FIFO和VJ和进行交互，再通过TCL建立的用户接口经由VJ访问FIFO.

       在实际的实践中可以将一些非实时的数据暂存在FIFO里，当需要分析的时候再从FIFO里读出来进行分析。这里我们希望介绍一些相对比较复杂的应用，在本人实际应用中，我在之前基于FIFO的基础上再加入了对FPGA内部寄存器的读写（或者说对一些参数可以进行实时地配置），另外加入了VJ对于FPGA外挂的SDRAM的访问。

        前面文章已经介绍了如何例化VJ，这里不赘述，只是需要提醒的是对user来说，逻辑里只有ir_in和tck这两个端口会经常用到，另外作为状态的控制，cdr，cir，sdr，udr，以及uir这几个状态指示引脚在相关的数据或者命令锁存的时候要用到。这里给出一个简单的例子：

------------------------------------------------------
--Tcl只负责发送写命令，写fifo的数据由FPGA自己产生
-------------------------------------------------------
process(clkin,reset)
begin
        if reset = '0' then
             write_en <= '0';
        elsif clkin'event and clkin= '1' then
             if ir_in = fifowr_cmd and uir = '1' then
                  write_en <= '1';
             else
                  write_en <= '0';
             end if;
        end if;
end process;

ir_in端口当前只是处于FIFO写命令状态（需要注意的是VJ根据ir_in端口宽度可以编码出一定量的命令，比如ir_in为4bit的时候最多支持16个命令，所以在搭建调试平台的时候一定要事先确定好最终你需要的命令数，当然你也可以在不够的时候进行例化修改），那么uir指示了何时可以稳定锁存此命令，这时候就相当于FPGA收到了平台发过来的写FIFO的命令了，那么到底写什么数据呢？这个可以事先约定，或者也可以通过TCL平台传递需要写入的数据，这里是根据此命令，将相关逻辑已经处理好的数据写入FIFO以待后续分析。其他状态以及命令类似处理。对于VJ逻辑模块的设计，主要是VJ核的例化，还有就是VJ各个命令的编码，接着就是对于各个编码好的命令进行相应的解码以及后续处理。比如上述代码中“ir_in = fifowr_cmd”的fifowr_cmd是个常量，是VJ命令的一个编码值，上面给出的代码就是对此命令的部分逻辑处理。

      处理VJ逻辑，另外一个部分就是用户逻辑处理，比如上述FIFO的例化以及FIFO的读写控制。这里需要加入的是FPGA内部寄存器的读写控制，以及SDRAM的控制器逻辑代码。当然增加了用户逻辑，相应地也要在VJ逻辑处理里增加相应的命令编码以及解码处理逻辑。

       这里增加了VJ与SDRAM的通信，只是为了调试SDRAM控制器，调试结束后，为了节约资源完全可以注释掉VJ相关部分或者全部模块。至于如何在FPGA设计SDRAM的控制器有很多人有过相关的文章，而且Xilinx和ALTERA都有参考设计可以参考，本人也有专门的博文介绍自己的体验，这里也不再赘述。本文最后的问题描述部分给出我在实际项目中使用SDRAM的时候碰到的问题以及解决过程。

• 基于Virtual JTAG应用层TCL用户界面设计

        FPGA底层逻辑设计好以后，就是搭建应用层的用户界面，其实这两个部分可以同时交互进行，因为随着设计的丰富，你也许要逐步的增加调试项目，也即是要增加VJ的命令端口数目。在前面的两篇“Virtual JATG初探”中对于VJ TCL命令进行了相关的介绍，这里不再赘述。这里给出上述FIFO写的时候对应的VJ TCL代码

;###FIFO Write command.通过tcl发命令给FPGA，让FPGA将FIFO写满。
proc FIFO_Push_CMD {} {
     .top.t insert end "\n Command: Single Write FIFO\n"

     device_lock -timeout 10000
         device_virtual_ir_shift -instance_index 0 -ir_value 1 -no_captured_ir_value
         set usedw [device_virtual_dr_shift -instance_index 0 -length 32 -value_in_hex]
         device_unlock
         set tmp 0x
         append tmp $usedw
         set usedw [format "%i" $tmp]
        
     set DataWidth 32
     set value [.top.slider get]
     
     if {$usedw!=255} {
         if {$value > 2097152} {
              .top.t insert end "\nvalue entered exceeds 21 bits\n" }
         
         set push_value [int2bits $value]
         set diff [expr {21 - [string length $push_value]%21}];#这里的“%”似乎没什么作用（求余数），如果去掉“%21”运行结果无变化，反正就是获取字符长度
         
         if {$diff != 21} {
               set push_value [format %0${diff}d$push_value 0]
         }
         
         .top.t insert end "$push_value\n"
         
         device_lock -timeout 10000
         device_virtual_ir_shift -instance_index 0 -ir_value 4 -no_captured_ir_value
         
         device_virtual_dr_shift -instance_index 0 -dr_value $push_value -length 21 -no_captured_dr_value
         device_unlock
     } else {
         .top.t insert end "\nCan't write the FIFO, for it is full now!\n"
     }
}

上述代码中“device_virtual_ir_shift -instance_index 0 -ir_value 4 -no_captured_ir_value”定义了ir_value为4，那么也就是在FPGA中逻辑设计中对于此命令的编码值就是4，也即常量fifowr_cmd等于4.这点一定要注意，TCL和FPGA逻辑对于命令的编码值一定要一一对应，否则就无法正确的进行命令解析以致无法正常的进行调试。

• 实例演示

      1. 基于FIFO的测试平台

       此阶段性测试平台具备以下功能：
        1）、具备给FPGA发生一个系统复位功能；
        2）、读取FIFO的usedw、full以及empty标志信息；
        3）、给FPGA发一个命令，让其将FIFO填满数据；
        4）、通过tcl将FIFO里的数据一次读出来；读出来的数据可以显示在当前text框里，同时可以存储在一个文件里供离线分析；
        5）、从一个文件里往FPGA的存储器或者外挂的存储器里写入大量的初始数据；
        6）、读取系统内部状态标志，一次可以读取32个标志“位”；
        7）、向系统写入参数，写入的参数可以通过输入窗口进行设定。

      2. 加入SDRAM访问的测试平台

      此阶段性测试平台具备以下功能：

      1）. 加入SDRAM单个写控制按钮，写入的地址和数据通过参数设置窗口设定；目前支持设置的地址和写入的数据是一样的。
      2）. 加入SDRAM大批量写按钮；写入的数据是通过逐一读取当前目录下的文件里的数据写入，写入的地址根据逐次写入操作加1，起始地址默认是0.
      3）. 加入SDRAM读按钮，此按钮可以支持单个读，以及批量读1024个地址数据；当滑动条设置为0时为批量读，非0时为单个读；批量读默认从0开始读1024个数据，单个读的地址由参数设置窗口设定。

     
      问题描述

       1. VJ测试平台访问SDRAM的问题

      上述SDRAM在批次写的时候，第一个数据不是文件里的第一个数据，而是上一次留在SDRAM数据线上的数据；文件里的第一个数据被写入在第二个位置，如图2中的0地址上的数据3不是文件里的第一个数据；而文件里的第一个数据“0000”被写在了地址1位置。经过查时序，这个问题算是找到了，把第一个数据改成x“5555”，为了好看。用signaltap抓了一下发现是在大批次写的时候第一个地址是从1开始而不是0开始，而大批次读的第一个地址是0.如图3所示：

大家看最后一行的“sdr_wr_adr"正好是地址1，而此时的写入数据”data_from_sys“是我定义的第一个数据0x5555，也就是在SDRAM写的时候第一个数据0x5555没有被写入地址0.修改SDRAM的控制器解决此问题，SDRAM的读写均无问题，如图4所示。

图4 解决SDRAM访问问提

      2. SDRAM single operation mode下节约访问时间的探讨

      SDRAM的Single Write写如图5图所示，从c_state的状态可以看出一次完整的Single Write花费了11个时钟周期，根据SDRAM的时序关系，可以缩短状态C和E（状态E可以省略），至于为何可以缩短可以查相关的SDRAM芯片的数据手册可以得到各个命令的具体时间参数。

修改SDRAM控制器，这里暂时保留状态E，这时候single Write控制时序如图6所示：

同样对于single read模式下，如图7所示，观察状态c_state，发现整个single read需要11个时钟周期，对照SDRAM时序图，可以修改逻辑使单个读减少到6个时钟，即去除图7中的状态A .

图8是修改后的SDRAM单个读时序图，此时没有状态A了 ：