FPGA設計開發中應用仿真技術解決故障的方法

本文針對FPGA實際開發過程中，出現故障后定位困難、反復修改代碼編譯時間過長、上板后故障解決無法確認的問題，提出了一種采用仿真的方法來定位、解決故障并驗證故障解決方案。可以大大的節約開發時間，提高開發效率。
FPGA近年來在越來越多的領域中應用，很多大通信系統（如通信基站等）都用其做核心數據的處理。但是過長的編譯時間，在研發過程中使得解決故障的環節非常令人頭痛。本文介紹的就是一種用仿真方法解決故障從而減少研發過程中的編譯次數，最終達到準確定位故障、縮短解決故障時間的目的。文例所用到的軟件開發平臺為Altera公司的Quartus II，仿真工具為ModelSim。

問題的提出
系統開發在上板調試過程中，有時候出現的bug是很極端的情況或很少出現的情況，而現在通常的做法是：在故障出現的時候通過SignalTap把信號抓出來查找其問題的所在、修改程序；在改完版本后，先要對整個工程進行重新編譯，然后再上板跑版本進行驗證，看看故障是否解決。
這樣就會出現三個問題：
①有時候故障很難定位，只知道哪個模塊出錯，很難定位到具體的信號上，給抓信號帶來麻煩。如果故障定位不準確，漏抓了關鍵信號，則需要重新在SignalTap里添加信號、編譯版本并再次上板定位故障，浪費時間。
②故障定位后，修改代碼還需要再編譯一次產生新版本的下載文件，修改后若還有問題則要重復這一過程，這樣從故障定位到修改完成需要很多次編譯。
③上板重新進行驗證時，如果這個bug的出現的幾率很小，短時間內不再復現，并不能說明在極端情況下的故障真的被解決了。
舉例說明：

圖1 SignalTap抓出的bug出現時的數據

圖2 SignalTap抓信號界面

例如在一個基帶系統的FPGA邏輯版本中，輸出模塊調用了一個異步FIFO，某一時刻FIFO已空的情況下多讀了一個數據，產生了bug，如圖1所示。
該輸出模塊的功能是判斷FIFO中是否有大于4個數據可讀出，若大于則連續輸出4個數據作為一組。系統中采用異步FIFO的內部讀數據指針來做判斷，而異步FIFO讀寫數據需要跨時鐘域，需要至少2個時鐘周期的握手時間，導致數據指針不準確。在判斷的時鐘沿，雖然顯示有超過4個的數據可讀，但是因為握手時間的延遲實際上FIFO中可能只有3個數據。
圖1中rdreq為FIFO的讀使能信號，在4個時鐘周期內有效，但是只讀出了3個數（數據0D2086C9F被讀了兩次），因為FIFO在第4個時鐘周期已經讀空。這里應該改成同步FIFO，由于同步FIFO數據的讀寫只在一個時鐘域內進行，就沒有這個握手時間延遲的問題了。
定位這個故障的時候我們可以很容易知道是哪個模塊出了問題，但是具體是其內部的哪個信號還需要下些功夫，如果出錯信號隱藏的很深，很難一次就抓到需要的信號；而且即使我們抓到了正確的信號，如果故障在改完之后沒有解決，則還需要重新修改、再進行編譯，耗費時間；即使改過之后故障不再復現，也有可能是因為bug出現的條件苛刻，無法證明故障真的解決了。
針對這三個問題，筆者提出如下想法：
雖然定位具體的出錯信號很困難，但是定位是哪個模塊出錯很容易，在bug出現的時候我們可以抓出這個模塊的全部輸入信號，考慮是否可以利用這些信號在仿真環境下重建bug出現的條件，利用仿真環境具體定位錯誤信號的位置。
定位好錯誤信號的具體位置后，修改代碼，再用相同的條件進行仿真。這樣可以通過對修改前后輸出數據的對比，很直觀的驗證修改是否成功，從而在修改成功后只需編譯一次即可，節省時間。
上板后bug不復現也可以排除是由于極端情況很難滿足造成的，去除了后顧之憂，徹底解決了故障。

仿真解決故障的方法
通過對這個異步FIFO問題的解決，可以證明這種通過所抓信號建立bug存在條件，定位、清除bug的方法是可行的。步驟如下：

圖3 SignalTap II List File界面

①將bug出現時SignalTap抓的信號保存成文檔文件

Quartus II 平臺用SignalTap抓到信號的界面如圖2所示。
在信號名稱上單擊右鍵，選擇圖2所示Create SignalTap II List File選項，生成如圖3格式界面。
圖3中界面上半部分顯示的是list對信號個數及信號名的描述，下半部分是采樣點所對應的信號值，帶h的表示是十六進制數值。
將list file另存為文本格式文件即可，如圖4所示。

圖4 “另存為”選項界面
此后可以把這個文本文件中無用的描述刪掉，只留SignalTap抓出來的數據（空格、h等符號也要刪掉），另存為.dat文件供仿真使用。
有了故障出現時的輸入數據，我們就可以在仿真環境下構建故障出現的條件。

②利用.dat文件建立bug出現的條件
用verilog語言編寫仿真文件（testbench），使用語句$readmemh或$readmemb將.dat文件中的數據存儲到一個設定的ram中，如：$readmemh(“s.dat”,ram)。
注意$readmemh讀取是按照十六進制數據進行（認為.dat文件中的數據都是十六進制數），會自動將其轉換為4位二進制數存入ram中，所以設定的ram位寬要是.dat文件中數據位寬的4倍；使用$readmemb時，存儲SignalTap所抓信號時，信號都要先設定為binary類型，ram位寬就是.dat文件數據的位寬。ram的深度為.dat文件中數據的個數。
然后在程序里把ram中數據按照所對應時鐘沿輸出到一個寄存器變量中，ram地址累加即可。
always@(posedge clk)
begin
data<=ram[addr];
addr<=addr+1'b1;
end
復現bug存在條件時，需將模塊的輸入信號與ram中的數據位相對應，仿真文件調用模塊時，將寄存器data對應位作為輸入接入即可。
在仿真環境中復現bug波形如圖5所示。
把圖5和圖1進行比較，可見通過這種方法我們在仿真環境下建立了bug出錯時的環境，得到相同的輸出出錯數據。
③修改程序后在仿真環境驗證修改是否成功
修改程序后，我們只要使用同樣的環境進行仿真，并且有針對性的觀察bug是否解決。本例中出現bug的原因是使用了異步FIFO，改成同步FIFO后，問題應該就會解決，我們可以通過仿真驗證。修改程序后仿真的波形如圖6所示。
由圖6可見，修改后相同的條件FIFO讀出4個數，說明沒有讀空，符合要求，bug解決。圖7為版本編譯后上板使用SignalTap抓取的信號波形，以作比較。

圖5 modelsim環境下復現的出錯數據

圖6 修改程序后相同條件下的輸出數據

圖7 修改程序后SignalTap抓的信號
比較后易見，波形完全相同，說明方法可行。

總結
文中描述的方法可針對各種的故障的解決。在故障出現時，只需定位出錯的模塊，這些模塊內嵌一些子模塊也無妨；抓信號時將故障模塊的輸入輸出信號抓出即可；利用輸入信號重建故障環境，若仿真輸出信號和所抓輸出信號相同，說明故障環境建立正確；用這個仿真平臺就可以具體定位是哪個子模塊、哪個信號出錯，而不需要在SignalTap中把這些信號抓出來；并且在修改代碼后可以驗證是否修改成功，節省時間，很明確的證明故障真的被解決了，事半功倍。