FPGA研发之道（5）从零开始调试FPGA

作者：阿昏豆

    “合抱之木，生于毫末；九层之台，起于垒土；千里之行，始于足下。”   老子《道德经》

     对于新手来说，如何上手调试FPGA是关键的一步。

      对于每一个新设计的FPGA板卡，也需要从零开始调试。

            那么如何开始调试？

            下面介绍一种简易的调试方法。

             (1) 至少设定一个输入时钟 input  sys_clk;

             (2) 设定输出 output [N-1:0]  led;

             (3)设定32位计数器 reg [31:0]  led_cnt;

             (4) 时钟驱动计数器开始工作

                   always@(posedge sys_clk)

                                    led_cnt <= led_cnt + 1

             (5)输出led信号。

                   assign led = led_cnt[M:N];   

          程序完成。

             (6)设定管教约束

                   如果为XILINX   FPGA ，在UCF文件中   NET “sys_clk”    LOC  = 管脚名称     

                  如果为ALTERA  FPGA ，在QSF文件中，添加  set_location_assignment  管脚名称 -to  sys_clk      

                  其他管脚，可依次类推。

             (7)编译，布局、布线，生成配置文件。

                    XILINX  生成BIT文件。

                     ALTERA 生成SOF文件

             (8)连接JTAG，下载相应的配置文件。

             (9)观察是否闪灯(肉眼可见)。

           关于闪灯的解释如下：

                assign     led = led_cnt[M:N];    led_cnt 为32bit的信号，需要几个闪灯，则根据输入时钟的频率和肉眼能够分辨的时间（100ms）。如输出时钟为25Mhz。则闪灯看见的位置能够分批到10hz。需分频2.5M= 32‘h2625A0,因此，则需要输出至少为led_cnt[21]位，才能看到闪灯。

                              

虽然程序简单，但是，通过调试可以确认：

                 （1）首先可确定JTAG下载器的正确连接，能够正常下载下载文件。如不能，常见问题包括

                                 (一)检查是否安装驱动。

                                 (二)下载器是否由红灯变成黄灯/绿灯。如红灯亮一般情况下，JTAG的与电路板VCC没有供电。

                                 (三)检查JTAG连接的线序。

                                 (四)检查JTAG电路，检查原理图上TMS，TDI，TDO的上拉和下拉电阻是否与datasheet中一致。

                            通过以上四种方式，可排除绝大部分JTAG下载的错误。

                 （2）可以判断晶振是否起振，下载后无灯闪。

                               (一)首先，示波器查看晶振频率，观察晶振的输出，如无输出，查看晶振的电源和地信号，如电源正常，而晶振无反应，则更换晶振。

                               (二)如无示波器，也有替代的方法，通过嵌入式逻辑分析仪抓信号（任意信号）。如逻辑分析仪点击采样后无反应，则无时钟输入。

                                      这是因为逻辑分析仪也需要时钟进行逻辑值的存储。

                  （3）如正常下载后闪灯，证明该FPGA板卡硬件设计上能够达到最低限度的FPGA调试状态。

      最后，说明一下，为什么是闪灯而不是亮灯的程序，这是因为，首先闪灯可以判断外部晶振工作正常，并且由于LED等通常为上拉，也就是说逻辑值0表示灯亮，而也不排除某硬件工程师非要下拉。逻辑1表示亮。因此采用闪灯更加方便。

            问题：为什么LED灯值为什么要上拉？

                       这是因为：LED上拉后，需要灯亮时电流由外部电源提供，而下拉，灯亮时电流由芯片的CMOS电路驱动。这种在设计中应避免。