FPGA学习笔记（5）——硬件调试与使用内置的集成逻辑分析仪（ILA）IP核

如果要对信号进行分析，可以使用外置的逻辑分析仪，但成本较高，对初学者来说没有必要，可以使用Xilinx Vivado内自带的逻辑分析仪IP核对信号进行分析，不过需要占用一定的芯片资源。

本节采用上一节配置的LED灯闪烁代码，对其中的信号进行捕获分析。

1 引入IP核

1、点击IP Catalog。

在这里插入图片描述

2、打开IP核。

在IP Catalog窗口中搜索并选择ILA (Integrated Logic Analyzer)，双击打开。

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3、配置ILA
在General Options中：
（1）例化名称：Component Name 可以设置为默认
（2）监控类型：Monitor Type设置为Native
（3）探针数量：Number of Probes按照需要监控的端口数量进行配置，如果要监控
（4）采样深度：Sample Data Depth设置的越大，一次能看到的数据量越多，但对FPGA芯片的DRAM消耗也越多。

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在Probe_Ports中：
根据前一页的设置，能看到3个探针端口，分别设置不同的位宽。

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点击2次OK，自动新建文件夹存放ila的IP核。

4、设置IP核综合模式：
弹出的Generate Output Products窗口，Synthesis Options选项如果选择Global，则每次修改文件都会让此IP核重新综合（调整IP核的位置和电路），如果选择Out of context per IP，则每次修改文件后都不会对IP核造成修改。因此这里选择Out of context per IP（OOC）。

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点击Generate生成IP核。

2 例化IP核

等待一小会儿，直到IP核加载完成。

1、打开模板文件：在Sources窗口下点击IP Sources，然后点击ila_0、Instantiation Template（例化模板），双击ila_0.veo打开模板文件。

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2、复制例化代码：将ila_0.veo中的代码复制到顶层模块000_test_project.v中，并修改模块名称和探针所对应的端口。

// ila_0.veo中代码
ila_0 your_instance_name (
	.clk(clk), // input wire clk


	.probe0(probe0), // input wire [0:0]  probe0  
	.probe1(probe1), // input wire [1:0]  probe1 
	.probe2(probe2) // input wire [25:0]  probe2
);

需要注意所连接的变量位宽需要和探针位宽相对应。

// 000_test_project.v
module test_project(
    input sys_clk,
    input sys_rst_n,
    
    output [1:0] led
);

// reg define
reg [25:0] cnt;

assign led = (cnt <= 26'd2500_0000) ? 2'b01 : 2'b10;

always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n)
        cnt <= 26'd0;
    else if(cnt < 26'd5000_0000)
        cnt <= cnt + 1'b1;
    else
        cnt <= 26'd0;
end

// 新加的模块 start
ila_0 my_ila_0 (
	.clk(sys_clk), // input wire clk

	.probe0(sys_rst_n), // input wire [0:0]  probe0  
	.probe1(led), // input wire [1:0]  probe1 
	.probe2(cnt) // input wire [25:0]  probe2
);
// 新加的模块 end

endmodule

代码编写完成后保存。

3 ila试验

3.1 综合、实现、生成比特流

可以直接点击生成比特流，这三步软件会自动完成。
点击软件左侧Program and Debug，Generate Bitstream，在弹出的窗口Synthesis is Out-of-date后选择Yes。

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在弹出的Launch Runs窗口中自行选择Number of jobs CPU线程数，线程越多软件处理速度越快，然后点击OK。

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等待片刻，直到软件处理完成。点击Project Summary可以看到Synthesis、Implementation都显示绿色的√。

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点开Device查看FPGA中PL的使用情况，可以发现相对于原来的让LED闪烁的逻辑电路，本实验中添加了ila后的使用了更多的逻辑资源。

不带ila的LED闪烁试验电路：

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带ila的LED闪烁试验电路：

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3.2 下载程序

1、连接设备：拿出正点原子开发板，连接电脑。
点击Vivado的Open Hardware Manager，Open target，Auto Connect。

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底部调试窗口Tcl Console显示如下信息，标明已经连接上开发板。

start_gui
open_project F:/FPGA/001_ZYNQ/004_ila_vio/004_ila_vio.xpr
open_project F:/FPGA/001_ZYNQ/004_ila_vio/004_ila_vio.xpr
Scanning sources...
Finished scanning sources
INFO: [IP_Flow 19-234] Refreshing IP repositories
INFO: [IP_Flow 19-1704] No user IP repositories specified
INFO: [IP_Flow 19-2313] Loaded Vivado IP repository 'G:/Xilinx/Vivado/2018.2/data/ip'.
open_project: Time (s): cpu = 00:00:15 ; elapsed = 00:00:08 . Memory (MB): peak = 853.520 ; gain = 123.812
update_compile_order -fileset sources_1
reset_run synth_1
launch_runs impl_1 -to_step write_bitstream -jobs 7
[Tue Jun 25 21:29:30 2024] Launched synth_1...
Run output will be captured here: F:/FPGA/001_ZYNQ/004_ila_vio/004_ila_vio.runs/synth_1/runme.log
[Tue Jun 25 21:29:30 2024] Launched impl_1...
Run output will be captured here: F:/FPGA/001_ZYNQ/004_ila_vio/004_ila_vio.runs/impl_1/runme.log
open_run impl_1
INFO: [Netlist 29-17] Analyzing 106 Unisim elements for replacement
INFO: [Netlist 29-28] Unisim Transformation completed in 1 CPU seconds
INFO: [Project 1-479] Netlist was created with Vivado 2018.2
INFO: [Device 21-403] Loading part xc7z020clg400-2
INFO: [Project 1-570] Preparing netlist for logic optimization
INFO: [Timing 38-478] Restoring timing data from binary archive.
INFO: [Timing 38-479] Binary timing data restore complete.
INFO: [Project 1-856] Restoring constraints from binary archive.
INFO: [Project 1-853] Binary constraint restore complete.
Reading XDEF placement.
Reading placer database...
Reading XDEF routing.
Read XDEF File: Time (s): cpu = 00:00:00 ; elapsed = 00:00:00.289 . Memory (MB): peak = 1850.578 ; gain = 0.000
Restored from archive | CPU: 0.000000 secs | Memory: 0.000000 MB |
Finished XDEF File Restore: Time (s): cpu = 00:00:00 ; elapsed = 00:00:00.289 . Memory (MB): peak = 1850.578 ; gain = 0.000
INFO: [Project 1-111] Unisim Transformation Summary:
  A total of 58 instances were transformed.
  CFGLUT5 => CFGLUT5 (SRLC32E, SRL16E): 52 instances
  RAM32M => RAM32M (RAMD32, RAMD32, RAMD32, RAMD32, RAMD32, RAMD32, RAMS32, RAMS32): 6 instances

open_run: Time (s): cpu = 00:00:30 ; elapsed = 00:00:25 . Memory (MB): peak = 1926.605 ; gain = 963.371
open_hw
connect_hw_server
INFO: [Labtools 27-2285] Connecting to hw_server url TCP:localhost:3121
INFO: [Labtools 27-2222] Launching hw_server...
INFO: [Labtools 27-2221] Launch Output:

****** Xilinx hw_server v2018.2
  **** Build date : Jun 14 2018-20:42:52
    ** Copyright 1986-2018 Xilinx, Inc. All Rights Reserved.


open_hw_target
INFO: [Labtoolstcl 44-466] Opening hw_target localhost:3121/xilinx_tcf/Digilent/210512180081
set_property PROGRAM.FILE {F:/FPGA/001_ZYNQ/004_ila_vio/004_ila_vio.runs/impl_1/test_project.bit} [get_hw_devices xc7z020_1]
set_property PROBES.FILE {F:/FPGA/001_ZYNQ/004_ila_vio/004_ila_vio.runs/impl_1/test_project.ltx} [get_hw_devices xc7z020_1]
set_property FULL_PROBES.FILE {F:/FPGA/001_ZYNQ/004_ila_vio/004_ila_vio.runs/impl_1/test_project.ltx} [get_hw_devices xc7z020_1]
current_hw_device [get_hw_devices xc7z020_1]
refresh_hw_device [lindex [get_hw_devices xc7z020_1] 0]
INFO: [Labtools 27-1435] Device xc7z020 (JTAG device index = 1) is not programmed (DONE status = 0).

2、下载程序：
点击左上角的Program device下载程序。

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可以发现下方Debug probes file出现了.ltx文件，内部包含了调试的一些探针信息，点击Program下载程序。
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3、查看波形：
在下载完成后，Vivado软件会弹出Waveform - hw_ila_1波形图窗口，三个探针已经添加到波形图中。

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窗口按钮部分功能：

Add +：添加信号。
Remove Selected -：删除信号。
Toggle auto re-trigger mode for this ILA core：自动触发。
Run trigger for this ILA core：手动触发。
Run trigger immediate for this ILA core >>：立即触发。
Stop trigger for this ILA core：停止触发。
Export ILA waveform data：导出逻辑分析仪波形数据。
Zoom In：放大。
Zoom Out：缩小。

点击Run trigger for this ILA core，探针会捕获信号。然后点击放大。

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右键Name列表下的信号，可以修改信号显示的Radix进制，这里可以选择为Unsigned Decimal无符号十进制。

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4、设置触发条件：
右下角的Trigger Setup可以设置触发条件，一位可以设置逻辑1触发（logic one）、逻辑0触发（logic zero）、上升沿触发（R）、下降沿触发（F）、双端触发（B）等等。多位可以设置为到一定的值触发。

此处设置cnt的值为0000000时触发。
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再次点击Run trigger for this ILA core，可以发现红色的T触发标记出现在了cnt为0的时候。此时led_OBUF[1:0]也变成从2变成了1，代表LED灯发生交替变化。

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3.3 调试完毕后处理

1、断开设备连接：右键PROGRAM AND DEBUG，点击Close即可断开开发板与电脑的连接。
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2、删除调试模块：
由于ILA会占用较多的硬件资源，因此在debug完成后可以直接在顶层文件中注释或删除ila的模块代码。

//000_test_project.v

//ila_0 my_ila_0 (
//	.clk(sys_clk), // input wire clk

//	.probe0(sys_rst_n), // input wire [0:0]  probe0  
//	.probe1(led), // input wire [1:0]  probe1 
//	.probe2(cnt) // input wire [25:0]  probe2
//);

代码保存后，重新生成比特流文件就可以获得原来资源使用较少的工程。