摘要：嵌入式邏輯分析儀SignalTap II是Quartus II軟件中第二代系統級調試工具，它可以用來捕捉目標芯片內部信號節點處的信息，而又不影響原硬件系統的正常工作。通過一個多波形信號發生器的設計實例，詳細闡述SignalTap II的工作流程和參數設置方法。實驗結果表明，該測試方法操作方便，實時性較高，能夠加快系統的開發流程。
關鍵詞：SignalTap II；測試；信號發生器
引言
隨著微電子技術、微封裝技術和印制板制造技術的不斷發展，印制電路板面積越來越小，密度越來越大，復雜度越來越高，層數越來越多。故采用傳統的硬件測試方法(如外探針測試法)來測試焊接上的器件，難度增大。而嵌入式邏輯分析儀的使用可以將高效的硬件測試手段和傳統的系統測試方法相結合，從而解決這些問題。嵌入式邏輯分析儀實現了硬件測試的軟件化，但它和驗證邏輯正確性的軟件仿真又有所不同。它可以用來捕捉目標芯片內部信號節點處的信息，而又不影響原硬件系統的正常工作，具有無干擾、便于升級、使用簡單、價格低等特點。
1 SignalTap II原理及工作流程
SignalTap II邏輯分析儀是Quartus II軟件中第二代系統級調試工具。它是一種基于邏輯分析核的嵌入式邏輯分析儀，不僅具備普通邏輯分析儀的觸發、數據采集和存儲功能，還可訪問FPGA器件內部的所有信號和節點，在系統設計中觀察硬件和軟件的交互作用。SignalTap II專用于Quartus II軟件，與其他嵌入式邏輯分析儀相比，它支持的通道數最多，抽樣深度最大，時鐘速率最高。目前SignalTap II邏輯分析儀支持的器件系列包括：Cyclone、Cyclone II、Cyclone III、APEXT II、APEX 20KE、APEX20KC、APEX20K、Excalibur、Mercury、Stratix GX、Stratix、Stratix II、Stratix III等。
SignalTap II的工作流程如圖1所示。在FPGA運行過程中，當滿足觸發條件時SignalTap II將啟動采樣過程并將數據暫存于目標器件中的嵌入式RAM(如ESB、M4K)中，采樣數據不斷刷新片內存儲器內容，然后通過器件的JTAG端口將捕獲到的信號數據傳出，送入計算機Quartus II開發環境中進行顯示和分析。這樣開發者可以在整個設計過程中以系統級的速度來觀察硬件和軟件的交互作用。此外，SignalTap II允許對設計中的所有層次的模塊的信號節點進行測試，可以使用多時鐘驅動，而且還能通過設置以確定前后觸發捕捉信號信息的比例。
2 STP文件的參數設置
在圖1所示的SignalTap II工作流程中，STP文件的參數設置是否恰當將直接影響采樣與分析結果的好壞，故它在整個流程中是極其重要的。STP文件的參數設置主要包括以下幾個方面：
①設置采樣時鐘。采樣時鐘決定了顯示信號波形的分辨率，它的頻率要大于被測信號的最高頻率，否則無法正確反映被測信號波形的變化。SignalTap II在時鐘的上升沿采樣，可以使用設計系統中的任何信號作為采樣時鐘，根據Altera公司的建議最好使用同步系統全局時鐘
作為采樣時鐘。但是在實際應用中，多數使用獨立的采樣時鐘，這樣能采樣到被測系統中的慢速信號，故需將系統時鐘進行分頻。
②設置被測信號。可以在Node Finder窗口進行選擇，添加要觀察的信號。
③配置采樣深度，確定RAM的大小。采樣深度決定了待測信號采樣存儲的大小，它是根據設計中剩余的RAM塊容量和待測信號的個數決定的。待測信號個數的增減和采樣深度的深淺會直接改變RAM塊的占用情況，采樣深度的范圍為0～128 KB。SignalTap II所能顯示的被測信號波形的時間長度為Tx=N×Ts，其中N為緩存中存儲的采樣點數，Ts為采樣時鐘的周期。
④設置buffer acquisition mode。buffer acquisitionmode包括循環采樣存儲、連續存儲兩種模式。循環采樣存儲也就是分段存儲，將整個緩存分成多個片段(segment)，每當觸發條件滿足時就捕獲一段數據。該功能可以去掉無關的數據，使采樣緩存的使用更加靈活。通常選擇循環采樣存儲，需要設置觸發位置。觸發位置允許指定在選定實例中在觸發器之前和觸發器之后應采集的數據量。Pre trigger position表示采樣到的數據12％為觸發前，88％為觸發后；Center trigger position表示采樣的數據處于觸發前后各一半；Post trigger position表示采樣到的數據88％為觸發前，12％為觸發后；Continuous triggerposilion表示以環形緩沖的方式進行連續采樣保存，直到用戶中斷為止。
⑤觸發級別。SignalTap II支持多觸發級的觸發方式，最多可支持10級觸發，為設置復雜的觸發條件提供了足夠的靈活性，幫助驗證檢錯。如果設置了多觸發級別，直到所有的觸發條件順序滿足后，才開始采集數據。
⑥觸發條件。設定約束性的觸發條件。可以設定單個信號的獨立觸發條件，直接采用單個外部或設計模塊內部的信號；也可以允許多個節點信號的組合復雜觸發條件構成觸發函數的觸發條件方程，以協助調試工作。當觸發條件滿足時，在SignalTap II時鐘的上升沿采樣被測信號。例如，使能信號EN與RST相與后觸發，觸發條件=ENA&RST。
當完成以上設置后，重新編譯工程并將該設計下載到FPGA中，在Quartus II中SignalTap II窗口下查看邏輯分析儀捕獲結果，并進行相關分析，完成系統測試。
3 實例分析
本文以一個多波形信號發生器為例，具體說明使用SignalTap II進行實時測試的具體過程。該設計基于Altera公司Cyclone II系列的EP2C8Q208C8。在Quartus II中完成的設計如圖2所示。
設計的多波形信號發生器可以產生正弦波、三角波和方波，可以通過開關選擇輸出的波形。系統采用自頂向下的設計思想，底層采用VHDL語言編程和LPM_ROM模塊實現，頂層采用原理圖設計。圖2中，rst為復位信號，sel[1．．0]為波形選擇信號，clk為主時鐘，q[7．．0]為輸出信號。當sel=“00”時，輸出正弦波；當sel=“01”時，輸出三角波；當sel=“10”時，輸出方波。系統由分頻模塊、正弦波模塊(地址發生器模塊和LPM_ROM模塊)、三角波模塊、方波模塊和波形選擇模塊組成。
系統的RTL電路圖如圖3所示，雙擊圖形中有關模塊，或選擇左側各項，可逐層了解各層次的電路結構。
根據上述SignalTap II的工作流程，首先建立一個stp文件(stpl．stp)，接著進行參數設置，如圖4所示。調入待測信號q[7．．0]；采樣時鐘選為主頻時鐘信號CLK(50MHz)經過分頻后的信號CLK1(100 kHz)；在Buffer acquisition mode框中的Circulate欄設定采樣深度中起始觸發的位置，選擇前點觸發(Pre trigger position)；采樣深度設為1KB；觸發級別選擇1；觸發信號選擇rst，在Pattern欄選擇上升沿觸發方式。然后連接實驗開板，進行編譯下載。最后單擊SignalTap II面板上的Autorun Analysis按鈕，啟動SignalTap II進行采樣和分析。
在SignalTap II的采樣之前，要進行相關設置，比如要觀察產生的正弦波，先將撥碼開關12(sel[1．．O])設置為“00”(三角波時設置為“01”，方波是設置為“10”)，再將撥碼開關3(rst)由0變為1，產生一個上升沿，作為SignalTap II的采樣觸發信號。這時執行Autorun
Analysis，就能在SignalTapII數據窗觀察到來自實驗板上FPGA內部的實時信號，如圖5所示。圖中依次為正弦波、三角波和方波數據。數據窗的上沿坐標是采樣深度的二進制位數，全程是1024位。
為了更直觀地看到波形圖，不需要進行數／模轉換，直接右鍵單擊所要觀察的總線信號名，在彈出的下拉菜單中選擇總線顯示模式“Bus Display Format”為“Line Chart”，即可獲得如圖6所示的模擬信號波形。
從圖5、圖6可以看出輸出結果和設計需求是一致的，驗證了設計的正確性。如果采用傳統的硬件測試方法，在本系統中還需要加入D／A轉換模塊，利用示波器觀察波形。故利用SignalTap II進行系統的硬件測試是非常方便的，可以加快系統的開發流程。而在整個工作流程中，STP文件的參數設置是至關重要的，它直接影響測試結果。例如在本系統中，采樣時鐘采用分頻后的信號，而不是采用主時鐘，因為主時鐘頻率太高，不便于觀察輸出信號。另外還有觸發信號的選擇，啟動采樣前開關的設置，都會直接影響輸出信號。
4 結論
嵌入式邏輯分析器SignalTap II克服了傳統硬件測試的缺點，為系統測試提供了一個很好的途徑。它具有實時性和可視性，減少了調試驗證的時間，加快了設計周期。通過對Cyclone II系列EP2C8Q208C8器件的實驗，證實該測試手段提高了系統的調試能力，具有很好的效果。在調試FPGA的時候，可以設置多個嵌入式測量模塊等其他功能，這樣可以加快系統的開發，為社會帶來更大的經濟效益。但是它需要占據FPGA資源(如RAM、LE等)，且資源消耗量與需采集的數據量成正比，因此采集信號的深度不能過大。此外，當利用SignalT印II將芯片中的信號全部測試結束后，需將SignalTap II從設計中移除，以免浪費資源。