Signal Tap 概述

Signal Tap Logic Analyzer是Intel Quartus Prime設計軟件中自帶的新一代系統級調試工具，它可以在FPGA設計中采集和顯示實時的信號行為。當設計在FPGA上全速運行時，無需額外的I/O引腳即可檢查正常器件操作期間內部信號的行為。

Signal Tap Logic Analyzer具有可擴展性，易于使用，支持以下功能：

無需外部設備，通過探測內部信號的狀態來調試FPGA設計。

自定義觸發條件邏輯，提高準確性并提升分析問題的能力。

將所有捕獲的信號數據存儲在設備存儲器中，直到需要進行讀取和分析。

Signal Tap Logic Analyzer支持可編程邏輯市場上任何邏輯分析儀中最多的通道數、最大的采樣深度和最快的時鐘速度。

下圖1.1是Signal Tap Logic Analyzer內部結構圖，它是利用JTAG邊界掃描的原理來讀取FPGA內部節點的值，然后傳輸到buffer（緩沖器），再由JTAG把數據送到Quartus下的Signal Tap Logic Analyzer工具。整個過程只讀取數據，而數據的頻率無法直接知道，只能由設計者自行計算得出。

圖1.1 Signal Tap Logic Analyzer結構圖

在設計中嵌入SignalTapLogicAnalyzer

要使用Signal Tap Logic Analyzer對設計進行調試，需要執行幾個任務來添加、配置和運行Signal Tap Logic Analyzer。如下圖所示為Signal Tap Logic Analyzer任務流程圖。

圖2.1 Signal Tap Logic Analyzer任務流程圖

在設計中嵌入Signal Tap Logic Analyzer有以下兩種方法：

建立一個Signal Tap文件，即.stp文件，然后定義該文件的詳細內容。

用MegaWizard Plug-In Manager建立并配置.stp文件，然后使用MegaWizard實例化一個HDL輸出模塊。

本教程采用第一種方法，在設計好的Quartus工程文件中嵌入Signal Tap Logic Analyzer進行時序波形的在線調試。

創建.stp文件

.stp文件包括Signal Tap Logic Analyzer設置部分和捕獲數據的查看、分析部分。創建一個.stp文件的步驟如下：

打開Quartus Prime軟件，并打開需要嵌入Signal Tap Logic Analyzer的Quartus工程，然后依次點擊Quartus工具欄的File-->New，如下圖所示2.2所示。

圖2.2 選擇New對話框

2. 在彈出的New對話框中，選擇Verification/Debugging Files中的Signal Tap Logic Analyzer File，如圖2.3所示，點擊OK確認。

圖2.3 選擇Signal Tap Logic Analyzer File

3. 彈出新的Signal Tap Logic Analyzer窗口，如圖2.4所示。

圖2.4 Signal Tap Logic Analyzer窗口

以上操作也可以通過Quartus軟件的工具欄Tools-->Signal Tap Logic Analyzer來完成，如下圖2.5所示。

圖2.5 打開Signal Tap Logic Analyzer

設置.stp文件采集時鐘

在使用Signal Tap Logic Analyzer進行FPGA在線調試之前，需要設置.stp文件的采集時鐘，采集時鐘是在上升沿采集數據。可以使用Quartus工程設計中的任意信號作為采集時鐘，最好使用全局時鐘，而不要使用門控時鐘，并且選擇的采樣信號和待觀測的信號要滿足奈奎斯特采樣定理。

設置采集時鐘的步驟如下：

1. 在圖2.4所示的Signal Tap Logic Analyzer窗口的觸發設置框，點開Clock后面的"..."按鈕，打開Node Finder對話框，如圖2.6所示。

圖2.6 打開Node Finder對話框

2. 在Node Finder對話框中，在Filter列表中選擇 Design Entry（all names）或SignalTap:pre-synthesis，如圖2.7所示。

圖2.7 選中 Design Entry（all names）

3. 想要看工程里面的哪個文件的信號，就在Look in這里選擇對應的文件（或者直接選top文件，所有信號在top文件里面可以找到），然后點擊Name行后的List按鈕，在Nodes Found列表中選擇合適的信號作為Signal Tap Logic Analyzer的采集時鐘，如圖2.8所示，此處舉例選擇Sdram_Control.v文件的信號進行查看，選擇Sdram_Control.v文件里面的100MHz作為采樣時鐘。選中后點擊">"按鈕將時鐘信號添加到Nodes Found列表中，也可以直接雙擊CLK將時鐘信號添加到Nodes Found列表。

圖2.8 Node Finder對話框設置

4. 點擊OK按鈕確定。在Signal Tap Logic Analyzer窗口中可以看到，設置作為采樣時鐘的信號CLK顯示在Clock欄中。如圖2.9所示。

圖2.9 顯示Clock采樣時鐘信號

注意：如果在Signal Tap Logic Analyzer窗口中沒有分配采集時鐘，Quartus軟件會自動建立一個名為auto_stp_external_clk_0的時鐘引腳。在設計中必須為這個引腳單獨分配一個器件引腳。在開發板上也必須有一個外部時鐘信號驅動該引腳。

在.stp文件中配置信號節點

在.stp文件中，常分配如下兩種類型的信號：

Signal Tap: pre-synthesis——該信號在對設計進行Analysis&Elaboration操作以后存在，這些信號表示寄存器傳輸級（RTL）信號。在Signal Tap Logic Analyzer中要分配Pre-synthesis信號，可以選擇Quartus軟件工具欄的Processing-->Start Analysis&Elaboration。對設計進行修改后，如果要在物理綜合之前快速加入一個新的節點名，使用這項操作特別有用。

Signal Tap: post-fitting——該信號在對設計進行物理綜合優化以及布局布線操作后存在。

本教程采用分配Signal Tap: pre-synthesis類型信號為例進行說明。

分配數據信號

依次點擊Quartus軟件工具欄的Processing-->Start-->Start Analysis&Elaboration，對設計進行Analysis&Elaboration。

圖2.10 對設計進行Analysis&Elaboration

2. 在Signal Tap Logic Analyzer窗口中點擊Setup標簽頁，如下圖2.11所示。

圖2.11 Setup標簽頁

3. 雙擊Setup標簽頁的空白處，彈出Node Finder對話框。

4. 在Node Finder對話框的Filter列表中選擇Signal Tap: pre-synthesis。

5. 點擊Node Finder對話框Name行后的List按鈕查找節點，所有節點都顯示在Matching Nodes列表中。

圖2.12 Nodes Finder對話框

6. 雙擊相應的節點或總線將其添加到Nodes Found列表中。

7. 點擊Insert按鈕，將選擇的節點或總線插入到.stp文件。

圖2.13 選擇節點

SignalTapLogicAnalyzer觸發設置

Signal Tap Logic Analyzer觸發設置主要是設置觀測信號的觸發條件（Trigger Conditions）。

觸發類型選擇Basic AND或Basic OR：如果觸發類型選擇Basic，在.stp文件中必須為每個信號設置相應的觸發模式(Trigger Pattern)。Signal Tap Logic Analyzer中的觸發模式包括Don't Care（無關項觸發）、Low（低電平觸發）、High（高電平觸發）、Falling Edge（下降沿觸發）、Rising Edge（上升沿觸發）和Either Edge（雙邊沿觸發）。如圖2.14所示，當設定的觸發條件滿足時，Signal Tap Logic Analyzer開始捕獲數據。

圖2.14-1 設置類型

圖2.14-2 設置觸發模式

觸發類型選擇Advanced：如果觸發類型選擇Advanced，則必須為Signal Tap Logic Analyzer建立觸發條件表達式。一個Signal Tap Logic Analyzer最關鍵的特點是它的觸發能力。如果不能很好的為數據捕獲建立相應的觸發條件，它可能無法幫助設計者捕捉到需要觀測的有效信號。

在Signal Tap Logic Analyzer中，使用高級觸發條件編輯器(Advanced Trigger Condition Editor)可以在簡單的圖形界面建立非常復雜的觸發條件。設計者只需要將運算符拖動到觸發條件編輯器窗口中，就可以建立復雜的觸發條件，如圖2.15所示。

圖2.15 高級觸發條件編輯器

指定采樣點數及觸發位置

在觸發事件開始之前，可以指定要觀測數據的采樣點數，即數據存儲深度，以及觸發事件發生前后的采樣點數，如圖2.16所示。

圖2.16-1 設置采樣點數及觸發位置

圖2.16-2 設置采樣點數及觸發位置

在Signal Tap Logic Analyzer窗口右側Signal Configuration部分的Data欄中，在Sample depth列表中可以選擇需要觀測的采樣點數；在Trigger欄中，在Trigger Condition列表中可以選擇觸發信號有效前后的數據比例：

1. Pre trigger position：保存觸發信號發生之前信號狀態信息(88%的觸發前數據，12%的觸發后數據)。

2. Center trigger position：保存觸發信號發生前后數據，各占50%。

3. Post trigger position：保存觸發信號發生之后信號狀態信息(12%的觸發前數據，88%的觸發后數據)。

重新編譯嵌入.stp文件的Quartus工程

配置好并保存.stp文件后，在使用Signal Tap Logic Analyzer之前必須編譯Quartus工程。如下圖2.17所示，點擊Signal Tap Logic Analyzer窗口的編譯按鈕，對工程進行全編譯。

圖2.17 全編譯Quartus工程

使用Signal Tap Logic Analyzer進行編程調試

在設計中嵌入.stp文件并完全編譯完成后，通過USB Blaster II下載電纜連接好開發板并接通電源。打開.stp文件后，詳細調試步驟如下：

1. 在.stp文件右上方的JTAG Chain Configuration部分，在Hardware列表中選擇 "DE-SoC[USB-1]"，一般情況下Signal Tap Logic Analyzer可以自動掃描到開發板上的FPGA器件并顯示在Device列表中。如下圖2.18所示。

圖2.18 JTAG Chain設置

2. 點擊SOF Manager右側的"..."按鈕，選擇.sof文件，然后點擊下載按鈕對FPGA進行配置，如下圖2.19所示。

圖2.19 配置FPGA

查看Signal Tap Logic Analyzer調試波形

Signal Tap Logic Analyzer工具條上有四個執行邏輯分析的選項，如下圖所示。

圖2.20-1

1. Run Analysis：單步執行捕獲數據進行邏輯分析，即執行該命令后，Signal Tap Logic Analyzer等待觸發事件，當觸發事件發生時開始采集數據，然后停止。

2. Autorun Analysis：執行該命令后，Signal Tap Logic Analyzer根據所設置的觸發條件連續采集數據，直到用戶按下Stop Analysis按鈕為止。

3. Stop Analysis：停止Signal Tap Logic Analyzer。如果觸發事件還沒有發生，則沒有接收數據顯示。

4. Read Data：顯示捕獲的數據。如果觸發事件還沒有發生，用戶可以點擊該按鈕查看當前采集的數據。

選擇Run Analysis或AutoRun Analysis按鈕，當觸發條件滿足時，Signal Tap Logic Analyzer開始捕獲數據。

圖2.20-2

Signal Tap Logic Analyzer會自動將采集的數據顯示在Data標簽頁中，如圖2.20-2所示。

從波形圖可以看到，寫SDRAM之前先發送了一個行激活命令，然后是寫命令，連續寫64個數據以后系統發送了一個預充電命令結束頁突發操作。