FPGA設(shè)計(jì)開發(fā)中應(yīng)用仿真技術(shù)解決故障的方法

本文針對(duì)FPGA實(shí)際開發(fā)過(guò)程中，出現(xiàn)故障后定位困難、反復(fù)修改代碼編譯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、上板后故障解決無(wú)法確認(rèn)的問(wèn)題，提出了一種采用仿真的方法來(lái)定位、解決故障并驗(yàn)證故障解決方案。可以大大的節(jié)約開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率。
FPGA近年來(lái)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中應(yīng)用，很多大通信系統(tǒng)（如通信基站等）都用其做核心數(shù)據(jù)的處理。但是過(guò)長(zhǎng)的編譯時(shí)間，在研發(fā)過(guò)程中使得解決故障的環(huán)節(jié)非常令人頭痛。本文介紹的就是一種用仿真方法解決故障從而減少研發(fā)過(guò)程中的編譯次數(shù)，最終達(dá)到準(zhǔn)確定位故障、縮短解決故障時(shí)間的目的。文例所用到的軟件開發(fā)平臺(tái)為Altera公司的Quartus II，仿真工具為ModelSim。

問(wèn)題的提出
系統(tǒng)開發(fā)在上板調(diào)試過(guò)程中，有時(shí)候出現(xiàn)的bug是很極端的情況或很少出現(xiàn)的情況，而現(xiàn)在通常的做法是：在故障出現(xiàn)的時(shí)候通過(guò)SignalTap把信號(hào)抓出來(lái)查找其問(wèn)題的所在、修改程序；在改完版本后，先要對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行重新編譯，然后再上板跑版本進(jìn)行驗(yàn)證，看看故障是否解決。
這樣就會(huì)出現(xiàn)三個(gè)問(wèn)題：
①有時(shí)候故障很難定位，只知道哪個(gè)模塊出錯(cuò)，很難定位到具體的信號(hào)上，給抓信號(hào)帶來(lái)麻煩。如果故障定位不準(zhǔn)確，漏抓了關(guān)鍵信號(hào)，則需要重新在SignalTap里添加信號(hào)、編譯版本并再次上板定位故障，浪費(fèi)時(shí)間。
②故障定位后，修改代碼還需要再編譯一次產(chǎn)生新版本的下載文件，修改后若還有問(wèn)題則要重復(fù)這一過(guò)程，這樣從故障定位到修改完成需要很多次編譯。
③上板重新進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，如果這個(gè)bug的出現(xiàn)的幾率很小，短時(shí)間內(nèi)不再?gòu)?fù)現(xiàn)，并不能說(shuō)明在極端情況下的故障真的被解決了。
舉例說(shuō)明：

圖1 SignalTap抓出的bug出現(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)

圖2 SignalTap抓信號(hào)界面

例如在一個(gè)基帶系統(tǒng)的FPGA邏輯版本中，輸出模塊調(diào)用了一個(gè)異步FIFO，某一時(shí)刻FIFO已空的情況下多讀了一個(gè)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了bug，如圖1所示。
該輸出模塊的功能是判斷FIFO中是否有大于4個(gè)數(shù)據(jù)可讀出，若大于則連續(xù)輸出4個(gè)數(shù)據(jù)作為一組。系統(tǒng)中采用異步FIFO的內(nèi)部讀數(shù)據(jù)指針來(lái)做判斷，而異步FIFO讀寫數(shù)據(jù)需要跨時(shí)鐘域，需要至少2個(gè)時(shí)鐘周期的握手時(shí)間，導(dǎo)致數(shù)據(jù)指針不準(zhǔn)確。在判斷的時(shí)鐘沿，雖然顯示有超過(guò)4個(gè)的數(shù)據(jù)可讀，但是因?yàn)槲帐謺r(shí)間的延遲實(shí)際上FIFO中可能只有3個(gè)數(shù)據(jù)。
圖1中rdreq為FIFO的讀使能信號(hào)，在4個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)有效，但是只讀出了3個(gè)數(shù)（數(shù)據(jù)0D2086C9F被讀了兩次），因?yàn)镕IFO在第4個(gè)時(shí)鐘周期已經(jīng)讀空。這里應(yīng)該改成同步FIFO，由于同步FIFO數(shù)據(jù)的讀寫只在一個(gè)時(shí)鐘域內(nèi)進(jìn)行，就沒(méi)有這個(gè)握手時(shí)間延遲的問(wèn)題了。
定位這個(gè)故障的時(shí)候我們可以很容易知道是哪個(gè)模塊出了問(wèn)題，但是具體是其內(nèi)部的哪個(gè)信號(hào)還需要下些功夫，如果出錯(cuò)信號(hào)隱藏的很深，很難一次就抓到需要的信號(hào)；而且即使我們抓到了正確的信號(hào)，如果故障在改完之后沒(méi)有解決，則還需要重新修改、再進(jìn)行編譯，耗費(fèi)時(shí)間；即使改過(guò)之后故障不再?gòu)?fù)現(xiàn)，也有可能是因?yàn)閎ug出現(xiàn)的條件苛刻，無(wú)法證明故障真的解決了。
針對(duì)這三個(gè)問(wèn)題，筆者提出如下想法：
雖然定位具體的出錯(cuò)信號(hào)很困難，但是定位是哪個(gè)模塊出錯(cuò)很容易，在bug出現(xiàn)的時(shí)候我們可以抓出這個(gè)模塊的全部輸入信號(hào)，考慮是否可以利用這些信號(hào)在仿真環(huán)境下重建bug出現(xiàn)的條件，利用仿真環(huán)境具體定位錯(cuò)誤信號(hào)的位置。
定位好錯(cuò)誤信號(hào)的具體位置后，修改代碼，再用相同的條件進(jìn)行仿真。這樣可以通過(guò)對(duì)修改前后輸出數(shù)據(jù)的對(duì)比，很直觀的驗(yàn)證修改是否成功，從而在修改成功后只需編譯一次即可，節(jié)省時(shí)間。
上板后bug不復(fù)現(xiàn)也可以排除是由于極端情況很難滿足造成的，去除了后顧之憂，徹底解決了故障。

仿真解決故障的方法
通過(guò)對(duì)這個(gè)異步FIFO問(wèn)題的解決，可以證明這種通過(guò)所抓信號(hào)建立bug存在條件，定位、清除bug的方法是可行的。步驟如下：

圖3 SignalTap II List File界面

①將bug出現(xiàn)時(shí)SignalTap抓的信號(hào)保存成文檔文件

Quartus II 平臺(tái)用SignalTap抓到信號(hào)的界面如圖2所示。
在信號(hào)名稱上單擊右鍵，選擇圖2所示Create SignalTap II List File選項(xiàng)，生成如圖3格式界面。
圖3中界面上半部分顯示的是list對(duì)信號(hào)個(gè)數(shù)及信號(hào)名的描述，下半部分是采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)值，帶h的表示是十六進(jìn)制數(shù)值。
將list file另存為文本格式文件即可，如圖4所示。

圖4 “另存為”選項(xiàng)界面
此后可以把這個(gè)文本文件中無(wú)用的描述刪掉，只留SignalTap抓出來(lái)的數(shù)據(jù)（空格、h等符號(hào)也要?jiǎng)h掉），另存為.dat文件供仿真使用。
有了故障出現(xiàn)時(shí)的輸入數(shù)據(jù)，我們就可以在仿真環(huán)境下構(gòu)建故障出現(xiàn)的條件。

②利用.dat文件建立bug出現(xiàn)的條件
用verilog語(yǔ)言編寫仿真文件（testbench），使用語(yǔ)句$readmemh或$readmemb將.dat文件中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)設(shè)定的ram中，如：$readmemh(“s.dat”,ram)。
注意$readmemh讀取是按照十六進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行（認(rèn)為.dat文件中的數(shù)據(jù)都是十六進(jìn)制數(shù)），會(huì)自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換為4位二進(jìn)制數(shù)存入ram中，所以設(shè)定的ram位寬要是.dat文件中數(shù)據(jù)位寬的4倍；使用$readmemb時(shí)，存儲(chǔ)SignalTap所抓信號(hào)時(shí)，信號(hào)都要先設(shè)定為binary類型，ram位寬就是.dat文件數(shù)據(jù)的位寬。ram的深度為.dat文件中數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。
然后在程序里把ram中數(shù)據(jù)按照所對(duì)應(yīng)時(shí)鐘沿輸出到一個(gè)寄存器變量中，ram地址累加即可。
always@(posedge clk)
begin
data<=ram[addr];
addr<=addr+1'b1;
end
復(fù)現(xiàn)bug存在條件時(shí)，需將模塊的輸入信號(hào)與ram中的數(shù)據(jù)位相對(duì)應(yīng)，仿真文件調(diào)用模塊時(shí)，將寄存器data對(duì)應(yīng)位作為輸入接入即可。
在仿真環(huán)境中復(fù)現(xiàn)bug波形如圖5所示。
把圖5和圖1進(jìn)行比較，可見通過(guò)這種方法我們?cè)诜抡姝h(huán)境下建立了bug出錯(cuò)時(shí)的環(huán)境，得到相同的輸出出錯(cuò)數(shù)據(jù)。
③修改程序后在仿真環(huán)境驗(yàn)證修改是否成功
修改程序后，我們只要使用同樣的環(huán)境進(jìn)行仿真，并且有針對(duì)性的觀察bug是否解決。本例中出現(xiàn)bug的原因是使用了異步FIFO，改成同步FIFO后，問(wèn)題應(yīng)該就會(huì)解決，我們可以通過(guò)仿真驗(yàn)證。修改程序后仿真的波形如圖6所示。
由圖6可見，修改后相同的條件FIFO讀出4個(gè)數(shù)，說(shuō)明沒(méi)有讀空，符合要求，bug解決。圖7為版本編譯后上板使用SignalTap抓取的信號(hào)波形，以作比較。

圖5 modelsim環(huán)境下復(fù)現(xiàn)的出錯(cuò)數(shù)據(jù)

圖6 修改程序后相同條件下的輸出數(shù)據(jù)

圖7 修改程序后SignalTap抓的信號(hào)
比較后易見，波形完全相同，說(shuō)明方法可行。

總結(jié)
文中描述的方法可針對(duì)各種的故障的解決。在故障出現(xiàn)時(shí)，只需定位出錯(cuò)的模塊，這些模塊內(nèi)嵌一些子模塊也無(wú)妨；抓信號(hào)時(shí)將故障模塊的輸入輸出信號(hào)抓出即可；利用輸入信號(hào)重建故障環(huán)境，若仿真輸出信號(hào)和所抓輸出信號(hào)相同，說(shuō)明故障環(huán)境建立正確；用這個(gè)仿真平臺(tái)就可以具體定位是哪個(gè)子模塊、哪個(gè)信號(hào)出錯(cuò)，而不需要在SignalTap中把這些信號(hào)抓出來(lái)；并且在修改代碼后可以驗(yàn)證是否修改成功，節(jié)省時(shí)間，很明確的證明故障真的被解決了，事半功倍。