集成邏輯分析儀(ILA)的使用方法

大家好，這里是程序員 杰克 。一名平平無奇的嵌入式軟件工程師。

在日常FPGA開發過程中，邏輯代碼設計完成后，為了驗證代碼邏輯的正確性，優先使用邏輯仿真(modesim)進行驗證。仿真驗證通過后進行板級驗證時，使用邏輯分析儀進行分析和驗證邏輯是否正確。FPGA兩大主流廠商的軟件集成邏輯分析儀供使用，Altera的Quartus自帶SignalTap、Xilinx的Vivado自帶ILA邏輯調試工具。

本篇總結和分享在Xilinx編譯工具Vivado環境下，使用內嵌的邏輯分析儀(ILA)的4種方法：

• HDL代碼實例化ILA IP核
• Block Design添加ILA IP核
• Synthesis后對Nets執行Mark Debug操作
• 在HDL代碼中使用屬性關鍵字mark_debug

本文以"LED每0.5s間隔亮滅"工程為例，觀測 led[0]信號以及led_cnt[24:0]時鐘計數信號 ，演示ILA使用的4種方法以及相關的注意事項。

01 HDL代碼實例化ILA IP核

在IP Catalog中搜索ILA，然后雙擊該IP核進行配置。

本示例中led[0]、led_cnt[24:0]信號位寬分別為1、25bit，具體配置如下所示；配置完成后，點擊“OK”；在彈出的界面點擊“Generate”完成IP核的配置和生成。

在Verilog代碼中對剛生成的ILA核進行實例化，在具體代碼添加例化代碼，如下所示：

ila_0 ila_0_inst0 (
  .clk     (clk    ),     // input wire clk
  .probe0  (led    ),     // input wire [0:0]  probe0  
  .probe1  (led_cnt)      // input wire [24:0]  probe1
);

綜合、實現、生成bit后寫到FPGA芯片便可觀測到信號(此處不做演示)。

特別說明：對于純FPGA工程，杰克推薦該方式去使用ILA；

02 Block Design添加ILA IP核

在Vivado中，除了使用HDL語言去描述設計，還可以通過Block Design圖形化連接的方式進行設計。7系列的軟核MicroBlaze、帶硬核的SOC芯片(ZYNQ、MPSOC等)的設計都是通過Block和HDL相結合來描述設計。本文仍以純FPGA方式來說明在Block Design中使用ILA核(純FPGA開發不建議)。ILA使用操作如下：

創建/打開Block Design，在Diagram界面，點擊“+”按鈕，搜索ILA，然后雙擊該IP核進行配置。

參數配置的方式與上一小節一致，這里不作贅述。不同之處是在Block Design中使用ILA核，ILA核的實例化HDL代碼會自動生成到Block Design文件中。

綜合、實現、生成bit后寫到FPGA芯片便可觀測到信號(此處不做演示)。

特別說明：

帶MicroBlaze軟核/ARM硬核的FPGA的復雜設計中，模塊接口的信號觀測ILA使用該方法；模塊內部信號的觀測ILA使用上一小節的方式；兩者可結合使用。

03 綜合后添加Mark Debug

對工程執行綜合，綜合完成后，找到要觀測的信號的Nets，右鍵選擇“Mark Debug”；

要觀測信號的Nets選擇并設置完成后，點擊“Set Up Debug”；按照下面步驟配置Debug ILA參數；

Debug ILA配置完成后，保存SYNTHESIZED DESIGN后會在約束文件(.xdc)中生成ILA的配置約束，如下圖所示：

綜合、實現、生成bit后寫到FPGA芯片便可觀測到信號(此處不做演示)。

特別說明：mark_debug僅可以對Nets類型進行操作，不能對Cells操作；

04 HDL中使用MARK_DEBUG

MARK_DEBUG描述

vivado設計IDE提供了一些屬性供開發者使用，本篇推文主要是描述MARK_DEBUG屬性約束的使用和注意事項。詳細可參考UG912文檔的內容。使用MARK_DEBUG的條件如下：

約束對象必須是Nets類型

在Nets信號的頂端聲明處進行約束

vivado提供了包括Verilog、VHDL、XDC三種語法。三種語法如下所示：

//Verilog語法
約束語法：
(* MARK_DEBUG="value" *) 
#value = true/flase
使用示例：
(* MARK_DEBUG="true" *) output wire led;
(* MARK_DEBUG="true" *) reg [24:0] led_cnt;


//VHDL語法
約束語法：
聲明: attribute MARK_DEBUG : string;
語法: attribute MARK_DEBUG of signal_name : signal is "value";
//signal_name-內部信號, value = TRUE/FALSE
使用示例:
signal led : std_logic;
attribute MARK_DEBUG : string;
attribute MARK_DEBUG of led : signal is "TRUE";


//XDC語法
約束語法: 
set_property MARK_DEBUG value [get_nets < net_name >] 
#value = TRUE/FLASE
#net_name-是信號名
使用示例:
set_property MARK_DEBUG TURE [get_nets led];

使用MARK_DEBUG標記生成ILA觀測信號步驟

在led[0]、led_cnt[24:0]信號的頂端聲明處進行約束，省略代碼如下：

module led_top(
    input   wire    clk_i,
    input   wire    rst_n,
    (* MARK_DEBUG="true" *) output  wire    led_o
)
;
...
(* MARK_DEBUG="true" *) reg [24:0] led_cnt;
...
endmodule

執行綜合操作，綜合完成后，打開綜合設計，然后點擊“Set Up Debug”；

按照下面步驟配置Debug ILA參數；

* Debug ILA配置完成后，保存SYNTHESIZED DESIGN后會在約束文件(.xdc)中生成ILA的配置約束，如下圖所示：

綜合、實現、生成bit后寫到FPGA芯片便可觀測到信號(此處不做演示)。

特別說明：

MARK_DEBUG約束標記會阻止Vivado對該信號以及下級信號的優化。因此，在邏輯驗證完成后，要刪除Mark_DEBUG約束標記或者將其失能。

05 文章總結

上面總結和分享了4種Vivado下使用ILA的方法。杰克更推薦使用前面兩種實例化的方法去使用ILA IP核。對于 純FPGA HDL開發 ，配置生成ILA核并在HDL代碼中實例化使用便可；對于帶軟核/硬核的FPGA開發 ，在Block模塊外部接口信號通過添加ILA核，Block模塊內部信號則在HDL代碼中實例化ILA核，兩者結合使用。