邏輯分析儀自1973年問世以來，在短短幾十年的時間內得到了迅速的發展。傳統邏輯分析儀利用芯片的引腳對信號采樣，并送到顯示部分對系統進行分析，但對于無引腳的封裝類型，傳統邏輯分析儀很難有效的監測系統內部信號。而在FPGA測試中，嵌入式邏輯分析儀（ELA）的出現解決了內部信號的在線調試問題。ELA綜合了嵌入式技術和邏輯分析儀技術，將邏輯分析IP核嵌入到FPGA中，在不引出內部信號的情況下即可方便的對系統進行調試。常用的嵌入式邏輯分析儀有Altera公司的SignalTap II、Xilinx公司的ChipScope Pro以及Lattice公司的ispTRACY等。本文以Altera公司的SignalTap II為例，對嵌入式邏輯分析儀的工作原理及在線調試進行探討。

ELA的工作原理及特點

嵌入式邏輯分析儀的組成框圖如圖1所示，主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分由待測設計（DUT）、嵌入到FPGA中的ELA IP核、RAM存儲單元以及JTAG接口組成；軟件部分由用戶設計軟件和集成在其中的ELA在線調試軟件組成。ELA的工作原理為：設置ELA在線調試軟件中需要監測的信號、觸發邏輯、采樣深度和時鐘信號等各項參數；把設置好的ELA文件與用戶設計編譯綜合后一起下載到FPGA中；運行ELA，如果滿足觸發條件，ELA就在時鐘的上升沿對被測信號采樣，并儲存在RAM存儲單元中；當采樣完數據，即可通過JTAG接口將數據上傳到SignalTap II中進行在線調試。

圖1 嵌入式邏輯分析儀的組成框圖

嵌入式邏輯分析儀能夠方便地對設計進行在線調試，及時發現系統內部所存在的問題，無須對設計文件進行任何修改就可以得到內部節點或者I/O引腳的狀態。例如，SignalTap II 支持多達1024個通道，采樣深度高達128Kb，時鐘支持超過200MHz，每個分析儀均有10級觸發輸入/輸出，從而增加了采樣的精度。

ELA在FPGA測試中的應用

嵌入式邏輯分析儀在FPGA的測試中應用極為廣泛，能夠對系統實時監測。本文以交通燈控制器的設計為例，對SignalTap II應用于FPGA的在線調試進行了探討。設計中所使用的FPGA芯片為Altera公司Cyclone系列中的EP1C12Q240C8，它支持SignalTap II，有12 060個邏輯單元，存儲位的大小為239 616，能夠較好的支持各種復雜的設計。

ELA的應用設計流程如下。

1 Stp文件的創建

在交通燈控制器的設計完成并編譯綜合后，即可創建一個SignalTap II文件（stp文件）。通常有兩種方式來建立stp文件，一是直接建立stp文件，并利用SignalTap II Editor配置邏輯分析儀的各項參數；二是利用MegaWizard Plug-in Manager生成和配置stp文件。相比于第二種方式，第一種更為簡單，只需在File中選擇New,單擊Other Files,選擇SignalTap II File即可，如圖2所示。

圖2 Stp文件的載入

2 ELA的設置

將stp文件加入到設計中后，就可以對其進行設置，流程如下。

①添加被測信號。通過Node Finder中的SignalTap II Filter查找設計中所有預綜合和布局布線后的信號，選擇需要觀察的信號，在本設計中，可以全部選定。

②設置采樣時鐘。在設置采樣時鐘時，可以使用其中任何一個信號作為采樣時鐘，但不能用布局布線后的信號，為獲得更準確的采樣數據，采樣時鐘應選擇全局時鐘。

③確定采樣深度。SignalTap II的采樣深度最大可達128Kb。在選擇采樣深度時，必須考慮到FPGA的內存大小，此處選擇1Kb的采樣深度。

④設置緩沖獲得模式。通過設置緩沖獲得模式，用戶可以指定在SignalTap II觸發前和觸發后所捕獲的數據量，緩沖獲得模式主要有環形模式和分段緩沖模式。在此選擇環形模式的預觸發位置。

⑤設置觸發條件。SignalTap II支持基本觸發和高級觸發的功能。在基本觸發中，它支持10級觸發級數，對于每一級觸發，可以根據設計的需要設置不同的觸發電平。

本設計對SignalTap II的設置如圖3所示，其中采樣深度為1Kb，緩沖獲得模式選擇環形模式的預觸發位置，觸發條件為基本觸發；此外，采樣時鐘選擇為全局時鐘。這些設置能夠準確地對本設計進行在線調試，有效地監測內部信號。

圖3 SignalTap II設置窗口

3 設計下載

當設置完stp文件并編譯綜合后，軟件將ELA IP嵌入設計里面，同設計一起下載到FPGA中。在器件列表中，邏輯分析儀會自動探測編程硬件，如果在保存設計前已經選好了FPGA中所使用的芯片，就會自動給出已經選好的器件，若沒有選擇，則需要在器件列表中選擇。當器件連接成功，在SOF(SRAM Object File)管理器中選擇需要下載的SOF文件，單擊下載按鈕即可將設計下載到FPGA中,如圖4所示。

圖4 設計下載窗口

4 在線調試

在線調試即利用JTAG接口將數據上傳到調試軟件中，根據實時運行的結果來對設計進行調試。本設計所實現的功能是在時鐘信號的控制下，根據當前的狀態決定下一個時鐘周期的輸出，即紅燈、綠燈和黃燈的開啟。在綠燈開啟時，紅燈和黃燈關閉，而在紅燈開啟時，綠燈及黃燈關閉。兩組紅、綠、黃燈為輸出信號，8個狀態為內部信號。

圖5 SignalTap II數據窗的實時監測信號

設計中所得到的波形如圖5所示，從圖5中可以看出，對于第一組燈，在state.st3時，黃燈開啟，綠燈及紅燈都關閉，一個時鐘周期后，跳轉到state.st4，黃燈關閉，同時紅燈開啟；四個時鐘周期后，跳轉到state.st0，紅燈關閉，同時綠燈開啟，黃燈繼續關閉；三個時鐘周期后，再次跳轉到state.st3，黃燈開啟，綠燈關閉；一個時鐘周期后，跳轉到state.st4，黃燈關閉，紅燈開啟。對于第二組，其紅綠燈的轉換也是一樣的不斷循環，這樣就實現了紅綠黃燈的交替變化。

在線調試得到的波形與交通燈控制器設計中所要求的功能完全吻合，在上述調試過程中，嵌入式邏輯分析儀對內部的8個狀態能夠很好的監測，保證了設計的正確。

在調試過程中，用戶可以很方便的開始或暫停ELA，對內部信號進行分析。如果需要修改設置，如采樣深度或觸發條件，只需停止運行ELA，完成修改后重新編譯綜合即可，縮短了調試時間。