SignalTap电子系统分析及仿真

电子系统分析

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FPGA 那些事儿《工具篇 III》

FILE 01：上线调试与下线调试

下午之际，笔者收拾好东西正准备离开，看见一旁的师兄正饶有心事望着窗外。印象中，

忧郁的师兄并不多见，于是笔者带着恶作剧的心情去调侃它一下。

笔者：『怎么了，师兄？想家了吗？』

师兄：『哎呀，师弟 ... 俺正在思考严肃问题！』

笔者：『师兄，别见外，让小弟帮你分担。』

师兄：『也好，多一个人多一份见解！尤其是你，鬼主意超多。』

笔者：『师兄，这是损我，还是夸我？』

师兄：『当然是损你啦，师弟！哈哈哈！』

笔者：『别闹了，切入主题吧 ... 』

师兄：『师弟，你觉得 SignalTap 的用途在哪里？』

话完之后，笔者进入片刻的思考。据笔者的理解，无论是 TimeQuest，Modelsim 还是

SignalTap 它们都是调试工具。然而，所谓调试就是一边观察对象，一边将操作逼近预

期的结果。调试在宏观上可以是观察输出，或说可视化调试对象的行为 ... 可是在微观

观上，调试可以是捕捉一些内部的细节变化。

传统的单片机应该是倾向前者，因为单片机推崇高级编程，最小的调试单位也只有指令

尺寸而已。换之，FPGA 则是倾向后者多一些，因为它们更接近底层，最小的调试单位

可以去到时钟或者门级。话虽如此，调试又可以进一步分为下调与上调两种，下调就是

下线调试的意思，上调则是上线调试的简称。

所谓下调就是在掉电或者虚拟的环境之中进行调试，例如 TimeQuest 与 Modelsim 都是

属于下调范畴。我们知道 Modelsim 是一只仿真软体，它可以播放波形以及验证模块等，

然而 Modelsim 的调试工作更多是发生在虚拟环境。其中，我们可以利用激励文件创建

仿真环境，或者产生刺激与反应等。

相对之下，TimeQuest 这只软体较为纯粹许多，它是利用数学公式创建环境，然后再利

用约束命令达到激励效果。下线调试说好不好，说坏不坏，好处就是抽象的环境允许天

马行空的可能性发生，坏处则是调试结果与实际结果有一段的距离。学习 FPGA 经常会

碰见这样的情况，下调结果 Okay 就是实际结果不 Okay，又或者下调结果不 Okay 可是

实际结果却 Okay 等尴尬的局面 ...

这是下调超典型的问题，年轻的笔者也经常在哪里扑街，最终搞到心灰意冷，不再赞颂

它的美 ... 话虽如此，下调试既然是抽象的东西，偶尔用来验证疯狂的想法也不错（笔

者经常这么干）。如果读者是搞专业验证，那么它的份量可能比会更重一些。如果是一

般建模，那么下调的用处不那么严重。更多内容，读者可以参考《工具篇 I&II》。

笔者：『我认为 SignalTap 至少不是下调的工具。』

师兄：『为什么？』

FPGA 那些事儿《工具篇 III》

笔者：『因为 SignalTap 在启动的时候，师兄总是和开发板形影不离 ... 』

师兄：『喂喂！俺也有人类的女朋友 ... 』

笔者：『别误会，师兄！我的意思是 SignalTap 必须配合上线设备一起使用。』

师兄：『你解释的空隙太多了，只要一句上调就足够了！』

没错，SignalTap 就是上调的工具。所谓上调就是在上电或者在实时的环境下，进行调试

的工作。如果读者是单片机的爱好者，那么上调也有热调的别称。上调的情况与下调完

全相反，好处就是测试结果几乎接近真实，缺点就是物理受限很多，而且激励的自由度

也不高。例如笔者买一架只有几个按钮的的上调设备就要饿肚子半年 ...

上调并没有下调一般多姿多彩的工具，除了昂贵又笨重的外置设备以外，很少有第三方

的上调工具同时兼容所有 FPGA，即时有也价格不菲。所以说，第一方（芯片厂商）所

提供的内置工具是唯一的选择，例如 Altera 的 SingalTap 或者 Xlinx 的 ChipScope 等。

（笔者记得第三方的上调工具好像是 Synosys 的 Identify）

再者，出于商业竞争的关系，自家的 FPGA 也仅适合自家的上调工具而已，把它们反过

来使用当然行不通。由于笔者是 A 派的家伙，故这本《工具篇 III》也是围绕在 SignalTap

的身上，所以 Xlinx 的朋友真对不起。

理论上，上调工具虽然不及下调工具强大，但是在建模的情形下，上调工具比起下调工

具更具实用性，这点笔者可以拍胸口保证。因为上调不仅不用创建复杂的环境，而且配

置工作简单又少，最重要是可以一边建模一边调试。还有，笔者在建模的时候，最讨厌

就是注意力被打乱或者被分散，下调就是如此。

例如 100% 的注意力，有 70~60% 都消耗在准备工作之上，有 20~10%被疲倦吃掉，余

下只有不到 10~5% 的注意力很难正确解析一项结果。反之，上调的准备工作只要

20~10% 的份儿而已，余下的注意力都可以放在解析的工作之上。所以说，下调往往比

上调更累人，更耗时间，也更耗精神 ... 然而，最致命还是调试结果严重偏离真实性，

这些缺点唯有读者在建模其中才会深刻感受。

师兄：『师弟，怎么可以把下调工具贬到一文不值？』

笔者：『师兄，我不是这个意思 ... 个人而言，我更喜欢上调工具！』

师兄：『喂喂，别忘了！下调也是咱们的工作之一？偏食不好哦！』

笔者：『都说不是这个意思！小弟只是从建模的角度去分析罢了！』

师兄：『建模也要下调呀！』

笔者：『哼！建模不好的蠢货才会整天下调下调一边叫！』

师兄：『纳尼！你说俺！你在说俺 ... 你在暗示俺！可恶！』

糟糕，较真的性格又不小心把师兄惹怒了。师兄是传统的汉子，生活喜欢按照长长的计

划进行，它认为下调占据建模很重要的地位，所以是不择不扣的黑骨粉，尤其是

Modelsim 这只工具，它更是爱死。反之自己，不按规矩就是生活习惯，个人认为下调

太蹉跎青春了，无法原谅精力浪费在建模以外，用脑仿真最好。

FPGA 那些事儿《工具篇 III》

说得难听一点，理想结果再怎么逼近实际物理结果，理想结果是不可能等价物理结果。

如果调试对象是简单的硬件，我们或许可以接受。反之，如果调试对象是 SDRAM 之类

的复杂硬件，读者就会大眼瞪小眼良久 ... 相对笔者，笔者的态度则是极端一点，任何

下调笔者都视为理想而非物理。因此，笔者不会说仿真结果就是硬件运行的实际表现，

而是一种排除物理因素的理想表现，这也是建模应该重视的地方，Verilog 可以描述的范

围。

图

1.6

测试发送（写操作）与接收（读操作）。

相反的，上调完全可以排除这些烦恼。如图 1.6 所示，无论测试对象是串口硬件还是

SDRAM 硬件，同样不管操作是否读写，上调都可以直接利用现有的资源。这样做，我

们不仅可以省下许多麻烦，而且调试结果也更加接近实际结果。在此，笔者需要强调一

下，尽管上调的来源是实体硬件，但是任何表现不完全等价物理结果，而是一种比较近

似的亚物理结果。

图 1.7 理想结果（左），亚物理结果（中），物理结果（右）。

如图 1.7 所示，假设两角 90°是理想结果，那么物理结果的两角可能是 120°与 60°，亚物

理结果的两角则是 100°与 80°。读者千万别误会，我们并非在学习数学，然而这项概念

是学习 FPGA 的重点。简单来说就是亚物理结果，虽然可以接受，但是不能尽信，亚物

理距离正真的物理结果还有一段尺寸，然而真正的物理结果只有专业设备才能测试得

到，但是那些设备都是一般人玩不起的宝贝。

乍看下，集成环境自带的上调工具尽是平民美食，我们顶多只能获取亚物理结果这一羊

羹而已 ... 鬼叫我们穷，有东西吃就好，别再奢侈太多！还好建模只要一份羊羹就以饱

腹，那些从事 ASCII 的家伙可能就无法满足了，笑！很抱歉，话题扯远了 ...

笔者：『师兄，请冷静一下 ... 』

师兄：『可恶！俺当然不会斤斤计较！让俺奉劝你一句，上调的成本可是很贵的！』

笔者：『小弟，当然知道 ... 』

师兄：『如果不是俺在下调哪里省吃省喝，咱们根本付不起上调！』

笔者：『师兄的用心良苦，小弟一直铭记在心 ... 』

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