原创【技术笔记】高云FPGA学习笔记5——片上逻辑分析仪GAO的使用

 2022-10-6 20:42  6529 23 12 分类: FPGA/CPLD 文集: 开发板评测

本文是高云FPGA学习笔记系列的第5篇文章，首发于面包板社区：

1. FPGA逻辑分析仪是什么？

FPGA与STM32等嵌入式开发最大的一个优点就是，可以在时序仿真阶段验证超过90%的功能，发现90%的问题。当所有的仿真没问题了，才能进行最后一步：板级调试。如果仿真都不对，那就没必要下载到芯片里了。

STM32等单片机，使用J-Link或ST-Link等调试器，可以进行在线调试，由于C代码是顺序执行的，我们可以插入断点，让程序停在我们需要的位置，或者是实时查看一些变量的数值，大大提高了我们Debug的速度，提高产品的开发效率。

对于FPGA来说，仿真毕竟是仿真，可以理解为理想条件，而最终我们的代码是需要运行在实际的FPGA芯片硬件上的。

所以也会遇到仿真正常，实际下载到板子里不正常的情况。

这种现象通常有两种原因：1.程序有BUG，2.硬件有问题。

比如实际程序中复位信号是低电平复位，而实际电路中设计的复位按键按下才是高电平，这样按键未按下就会导致程序一直处于复位状态。当然，这只是一种最简单的问题点，实际开发过程中，仿真与实际运行不匹配的情况还有很多。那么如何才能以最快的速度找到问题点呢？

早期的FPGA调试方法通常使用外部的逻辑分析仪硬件设备，连接到FPGA芯片的外部管脚上，如果想查看内部信号，还需要把这些信号定义成Output引出到外部管脚进行了测量，如果是多位数据，这样就会占用大量的管脚，但是此类工具有个优点就是支持多种协议解析，可以非常方便的查看协议的报文数据。

如果有一种工具能像单片机开发那样，通过调试器JTAG接口实时获取运行过程中寄存器的数值就好了。有需求就有市场，FPGA厂商也考虑到了开发者的这种需求，都在自家产品上加上了这个功能，那就是片上逻辑分析仪，就像在芯片内装了一个逻辑分析仪ELA（Embedded Logic Analyzer），可以实时监测数据的变化，还可以设置触发条件等！

FPGA领域几大厂家提供嵌入式逻辑分析仪：

Intel（原Altera）的SignalTap工具
AMD（原Xilinx）的ChipScope工具
Microchip（原Microsemi）的Identify工具
Lattice的Reveal工具

这些工具都是嵌入式逻辑分析仪，大大提高了Debug速度。这类工具的原理通常是以预先设定的时钟速率实时采样FPGA的内部信号，并暂存于FPGA的内部RAM中，当满足预设的触发条件后，通过JTAG将存储在片内RAM中的数据传输至PC上，PC接收到数据后，通过上位机把数据展现出来。

关于FPGA的逻辑分析仪介绍，可以查看之前写的笔记：

FPGA如何进行片上调试？
https://mp.weixin.qq.com/s/H1wHXZrXfOvi1UlZWgClyA

2. 高云FPGA片上逻辑分析仪特点

可以说，片上逻辑分析仪是FPGA的标配，这部分功能通常需要FPGA硬件和EDA工具软件两方面支持。

高云FPGA也集成了片上逻辑分析仪（Gowin Analyzer Oscilloscope，以下简称 GAO），GAO的原理是通过采样时钟，将用户设定的信号采样缓存到片内未使用的RAM空间中，当满足用户设定的触发条件时，将RAM中的数据通过JTAG发送到上位机中，并显示出来。

本文介绍，基于TangNano 4K开发板，即高云小蜜蜂GW1NSR-4C FPGA芯片，演示如何创建GAO配置文件，如何使用逻辑分析仪抓取信号并获取波形文件。

GAO支持RTL级信号捕获和综合后网表插入两种方式，并且提供Standard GAO 和 Lite GAO 两种版本。

Standard GAO 最多可以支持 16 个功能内核，每个内核可配置一个或多个触发端口，支持多级静态或动态触发表达式。
Lite GAO 配置简便，无需设置触发条件，可以捕获信号的初始值，方便用户分析上电瞬间的工作状态。

GAO具有如下特性：

最多支持 16 个功能内核
每个功能内核支持一个或多个触发等级
每个触发端口支持一个或多个匹配单元
每个匹配单元均支持 6 种触发匹配类型
支持设置静态或者动态触发表达式
支持捕获 RTL 综合优化前或者综合优化后信号
功能内核采用窗口采集模式，支持一个或多个窗口采集
支持导出 csv、vcd 和 prn 三种格式的波形数据文件
使用数据端口，节省器件资源

关于高云FPGA GAO逻辑分析仪的使用，可以参考官方文档，在云源软件的安装目录下：

D:\Program\Gowin\Gowin_V1.9.8.07_Education\IDE\doc\CN\SUG114-2.5_Gowin在线逻辑分析仪用户指南.pdf
3. 打开现有工程

打开一个现有工程，顶层文件如下：

/***************************************************************
* Copyright(C), 2010-2022, WeChat:MCU149.
* ModuleName : top_hdl.v
* Date       : 2022年10月02日
* Time       : 20:19:39
* Author     : WeChat:MCU149
* Function   : gw1nsr-4c fifo demo
* Version    : v1.0
*      Version | Modify
*      ----------------------------------
*       v1.0    .....
***************************************************************/

module top_hdl(
    //Inputs
    input gclk,      // 27MHz
    input gresetn,
    input key,

    //Outputs
    output reg led
);

//localparam
localparam KEY_PRESS   = 1'b0;
localparam KEY_RELEASE = !KEY_PRESS;
localparam LED_ON      = 1'b1;
localparam LED_OFF     = !LED_ON;

wire flag_press;
wire flag_release;

drv_key #(
    .FILTER_TIME(27_000_0*5),  //50ms
    .KEY_PRESS(KEY_PRESS)
)drv_key_ut0(
    //Inputs
    .clk  (gclk),
    .rst_n(gresetn),
    .key  (key),

    //Outputs
    .flag_press  (flag_press),
    .flag_release(flag_release)
);

always @ (posedge gclk) begin
    if(!gresetn) begin
        led <= LED_ON;
    end
    else if(flag_press) begin
        led <= !led;
    end
end

wire clk_osc;       //250/2=125MHz, gao use clock
Gowin_OSC Gowin_OSC_ut0(
    .oscout(clk_osc),
    .oscen(1'b1)
);

endmodule

模块功能为当按键有效按下时，控制LED状态翻转。

4. 新建GAO文件

新建GAO Config文件，用于配置逻辑分析仪的参数。