基于EDA仿真技术解决FPGA设计开发中故障的方法
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本文针对FPGA实际开发过程中，出现故障后定位困难、反复修改代码编译时间过长、上板后故障解决无法确认的问题，提出了一种采用仿真的方法来定位、解决故障并验证故障解决方案。可以大大的节约开发时间，提高开发效率。
问题的提出
系统开发在上板调试过程中，有时候出现的bug是很极端的情况或很少出现的情况，而现在通常的做法是：在故障出现的时候通过SignalTap 把信号抓出来查找其问题的所在、修改程序；在改完版本后，先要对整个工程进行重新编译，然后再上板跑版本进行验证，看看故障是否解决。
这样就会出现三个问题：
①有时候故障很难定位，只知道哪个模块出错，很难定位到具体的信号上，给抓信号带来麻烦。如果故障定位不准确，漏抓了关键信号，则需要重新在 SignalTap里添加信号、编译版本并再次上板定位故障，浪费时间。
②故障定位后，修改代码还需要再编译一次产生新版本的下载文件，修改后若还有问题则要重复这一过程，这样从故障定位到修改完成需要很多次编译。
③上板重新进行验证时，如果这个bug的出现的几率很小，短时间内不再复现，并不能说明在极端情况下的故障真的被解决了。
举例说明：
例如在一个基带系统的FPGA逻辑版本中，输出模块调用了一个异步FIFO，某一时刻FIFO已空的情况下多读了一个数据，产生了bug，如图 1所示。
图1 SignalTap抓出的bug出现时的数据
该输出模块的功能是判断FIFO中是否有大于4个数据可读出，若大于则连续输出4个数据作为一组。系统中采用异步FIFO的内部读数据指针来做判断，而异步FIFO读写数据需要跨时钟域，需要至少2个时钟周期的握手时间，导致数据指针不准确。在判断的时钟沿，虽然显示有超过4个的数据可读，但是因为握手时间的延迟实际上FIFO中可能只有3个数据。
图1中rdreq为FIFO的读使能信号，在4个时钟周期内有效，但是只读出了3个数（数据0D2086C9F被读了两次），因为FIFO在第 4个时钟周期已经读空。这里应该改成同步FIFO，由于同步FIFO数据的读写只在一个时钟域内进行，就没有这个握手时间延迟的问题了。
定位这个故障的时候我们可以很容易知道是哪个模块出了问题，但是具体是其内部的哪个信号还需要下些功夫，如果出错信号隐藏的很深，很难一次就抓到需要的信号；而且即使我们抓到了正确的信号，如果故障在改完之后没有解决，则还需要重新修改、再进行编译，耗费时间；即使改过之后故障不再复现，也有可能是因为bug出现的条件苛刻，无法证明故障真的解决了。
针对这三个问题，笔者提出如下想法：
虽然定位具体的出错信号很困难，但是定位是哪个模块出错很容易，在bug出现的时候我们可以抓出这个模块的全部输入信号，考虑是否可以利用这些信号在仿真环境下重建bug出现的条件，利用仿真环境具体定位错误信号的位置。
定位好错误信号的具体位置后，修改代码，再用相同的条件进行仿真。这样可以通过对修改前后输出数据的对比，很直观的验证修改是否成功，从而在修改成功后只需编译一次即可，节省时间。
上板后bug不复现也可以排除是由于极端情况很难满足造成的，去除了后顾之忧，彻底解决了故障。
仿真解决故障的方法
通过对这个异步FIFO问题的解决，可以证明这种通过所抓信号建立bug存在条件，定位、清除bug的方法是可行的。步骤如下：
①将bug出现时SignalTap抓的信号保存成文档文件
Quartus II 平台用SignalTap抓到信号的界面如图2所示。
图2 SignalTap抓信号界面
在信号名称上单击右键，选择图2所示Create SignalTap II List File选项，生成如图3格式界面。
图3 SignalTap II List File界面
图3中界面上半部分显示的是list对信号个数及信号名的描述，下半部分是采样点所对应的信号值，带h的表示是十六进制数值。
将list file另存为文本格式文件即可，如图4所示。
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图4 “另存为”选项界面
此后可以把这个文本文件中无用的描述删掉，只留SignalTap抓出来的数据（空格、h等符号也要删掉），另存为.dat文件供仿真使用。
有了故障出现时的输入数据，我们就可以在仿真环境下构建故障出现的条件。
②利用.dat文件建立bug出现的条件
用verilog语言编写仿真文件（testbench），使用语句$readmemh或$readmemb将.dat文件中的数据存储到一个设定的ram中，如：$readmemh(“s.dat”,ram)。
注意$readmemh读取是按照十六进制数据进行（认为.dat文件中的数据都是十六进制数），会自动将其转换为4位二进制数存入ram中，所以设定的ram位宽要是.dat文件中数据位宽的4倍；使用$readmemb时，存储SignalTap所抓信号时，信号都要先设定为binary类型，ram位宽就是.dat文件数据的位宽。ram的深度为.dat文件中数据的个数。
然后在程序里把ram中数据按照所对应时钟沿输出到一个寄存器变量中，ram地址累加即可。
always@(posedge clk)
begin
data<=ram[addr];
addr<=addr+1‘b1;
end
复现bug存在条件时，需将模块的输入信号与ram中的数据位相对应，仿真文件调用模块时，将寄存器data对应位作为输入接入即可。
在仿真环境中复现bug波形如图5所示。
图5 ModelSim环境下复现的出错数据
把图5和图1进行比较，可见通过这种方法我们在仿真环境下建立了bug出错时的环境，得到相同的输出出错数据。
③修改程序后在仿真环境验证修改是否成功
修改程序后，我们只要使用同样的环境进行仿真，并且有针对性的观察bug是否解决。本例中出现bug的原因是使用了异步FIFO，改成同步 FIFO后，问题应该就会解决，我们可以通过仿真验证。修改程序后仿真的波形如图6所示。
图6 修改程序后相同条件下的输出数据
由图6可见，修改后相同的条件FIFO读出4个数，说明没有读空，符合要求，bug解决。图7为版本编译后上板使用SignalTap抓取的信号波形，以作比较。
图7 修改程序后SignalTap抓的信号
比较后易见，波形完全相同，说明方法可行。
总结
文中描述的方法可针对各种的故障的解决。在故障出现时，只需定位出错的模块，这些模块内嵌一些子模块也无妨；抓信号时将故障模块的输入输出信号抓出即可；利用输入信号重建故障环境，若仿真输出信号和所抓输出信号相同，说明故障环境建立正确；用这个仿真平台就可以具体定位是哪个子模块、哪个信号出错，而不需要在SignalTap中把这些信号抓出来；并且在修改代码后可以验证是否修改成功，节省时间，很明确的证明故障真的被解决了，事半功倍。
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