Xilinx可编程逻辑器件设计与开发（基础篇）连载28：Spartan

第9章 ChipScope Pro调试设计

在传统的FPGA设计中，调试时大都采用示波器和逻辑分析仪。FPGA和PCB设计人员保留一定数量FPGA引脚作为测试引脚，FPGA设计者在编写FPGA代码时，将需要观察的FPGA内部信号定义为模块的输出，在综合实现时再把这些信号锁定到保留的测试引脚上，最后连接示波器或逻辑分析仪的探头到这些测试脚进行观测。这个测试方法存在很多局限性，成本高、灵活性差、操作麻烦。

成本高。示波器、逻辑分析仪的成本较高。

灵活性差。要测试FPGA的内部节点，需要修改设计，将待测信号引到FPGA引脚上来进行测试。PCB设计完成后这些用作测试引脚的位臵和数量就固定了，不能灵活改变。如果测试引脚不够用时，影响测试。如果测试引脚太多，又将影响PCB布局和布线。而且在一些极端设计中，FPGA的I/O引脚可能已经用光，根本没有多余的引脚被用来做测试引脚。

操作麻烦。示波器、逻辑分析仪必须通过探头连接到测试引脚，容易造成短路，损坏器件。

随着FPGA的规模不断增大，FPGA的设计变得越来越复杂，其封装形式大多向球形方式转移，传统的使用探针监测信号的方式变得越来越困难。Xilinx推出的集成化逻辑分析工具ChipScope Pro，完全解决了这些问题。

ChipScope Pro具有传统逻辑分析仪的功能，价格便宜，而且不需要附加大量探头，具有很高的实用价值。它是针对Xilinx Virtex系列和Spartan系列器件设计的片内逻辑分析工具，它通过JTAG口，将FPGA内部信号实时读出，传入计算机进行分析。基本方法是利用FPGA内的BRAM，存储信号波形数据，然后通过JTAG接口将数据传送到计算机，并将波形在计算机显示出来。ChipScope测试系统连接结构图如图9-1所示。

使用这种技术观察FPGA内部信号的测试方法，具有以下优点。

成本较低。仅需要ChipScope Pro 设计软件和一根下载电缆，极大地简化了PCB的设计成本。

较高的灵活性。不需将待观察的信号通过额外的引脚输出到FPGA，信号的数量和存储深度由器件BRAM决定。器件中BRAM越多，可观察的信号数量和存储深度就越大。

使用方便。ChipScope Pro在 ISE工具中作为一个IP模块来调用，可以方便地选择待测信号，也可以设臵复杂的触发条件。

图9-1 ChipScope 测试系统连接结构图

ChipScope Pro由一系列相关的IP 核及其软件工具组成，包括核生成器（Core Generator）、核插入器（Core Inserter）、分析仪（ChipScope Analyzer）和TCL 脚本控制接口。

(1) 核生成器

Xilinx Core Generator Tool（Xilinx 核生成器）：通过它可以生成集成控制器核（ICON）、集成逻辑分析核（ILA）、虚拟I/O 核（VIO）及安捷伦跟踪核（ATC2）的网表和实例化所需的模板文件。

IBERT Core Generator（IBERT 核生成器）：通过它生成Virtex-4 和Virtex-5 系列的误比特率测试核（IBERT）的网表和实例化所需的模板文件。

(2) 核插入器

Core Inserter（核插入器）：自动将CON、ILA 和ATC2 核插入已经综合完成的设计中。

PlanAhead Design Analysis Tool（PlanAhead 设计分析工具）：自动将ICON 和ILA 核插入设计网表中。请参考PlanAhead 章节内容。

(3) ChipScope Analyzer（ChipScope 分析软件）：通过它可以配置FPGA，可以设定触发条件，可以设定ILA、IBA/OPB、IBA/PLB、VIO 及IBERT 的踪迹显示方式。

(4) ChipScope Engine Tcl (CSE/Tcl) ScripTIng Interface（TCL 脚本控制接口）：通过TCL 脚本语言和JTAG 链，完成与芯片的通信交互。在设计中，使用ChipScope Pro 有两种操作流程，如图9-2 所示。

图9-2 ChipScope 操作流程图

流程1：通过ChipScope Pro 内核生成器，产生各种不同功能调试内核，如ICON、ILA和IBA 等，将生成的例化代码插入HDL 源程序中，再对包括ChipScope Pro 内核的设计进行综合实现后下载到器件中，利用ChipScope Analyzer 进行分析。

流程2：利用ChipScope Pro 的内核插入器将所需要的内核直接插入到已经综合完成的设计网表（NGC 或EDIF）中，然后对这个新的网表文件布局布线后下载到器件中，利用ChipScope Analyzer 进行分析。

接下来我们详细介绍ChipScope 的IP 核及其应用，重点介绍如下内容。

ChipScope Pro 核生成器及各核的属性。

ChipScope 内核插入器。

ChipScope Pro Analyzer 核分析仪。

在FPGA Editor 中修改ChipScope 核信号连接。