第五章 在线逻辑分析仪-SIGNALTAP
ps:仿真实在pc端进行仿真，和fpga一点关系也没有，而signaltap是直接反馈芯片的信号。
进行 FPGA 开发的过程中，在逻辑代码上板运行前都会进行仿真验证，而 EDA 仿真工具（如 Modelsim 等）的使用更是可以可以让工程师提早发现工程中出现的一些错误。但这并不代表经过仿真工具验证后的设计就能够达到预期。事实上，在上板运行时仍有可能遇到各种各样的问题。使用仿真工具进行验证的时候所设计 Testbench 的激励输入有时不能囊括一切可能发生的情况，并且由于软件仿真与实际硬件之间总是存在着细微的差别，诸如此类的原因导致工程师在上板运行时仍会发现各种设计问题。而很多情况下，在 FPGA 实时运行中需要查看某些信号，因此需要一个实时的信号分析工具获取 FPGA 内部的实时信号从而进行调试分析——SignalTap II 应运而生。
SignalTap 是由 Altera 公司开发的一个在线、片内信号分析的工具，为设计开发者验证所用。其作用类似于一个数字逻辑分析仪，利用 signaltap 工具基本上可以代替数字逻辑分析仪。Signaltap 是Quartus 里最常用的工具，希望同学们可以熟练使用。
第1节 软件原理
在使用 SignalTap 前先来理解一下 SignalTap 的原理，从而有助于理解各个参数。
如图 1.5- 1 为 SignalTap II 的基本工作原理，通过此图可以直观的理解触发条件、采样时钟、采样深度等的概念（概念及相关设置见第三节）及其之间的关系。
在调试过程中，某些需要观察分析的信号被称为“被测信号”，可以存在多个被测信号。
SignalTap II 的基本工作过程如下：以被测信号为对象，根据需要设置合理的触发条件，在触发条件（如图中的被测信号下降沿）满足时的前后一段时间，每个采样时钟的上升沿会对被测信号进行一次采集，并将采集的信号值存储在内部的 RAM 中。工程师可以指定触发条件前后采多少个样点，如果 RAM 比较大，则可以保存比较多的数据。反之，如果 RAM 比较小，那么保存的数据自然比较少，RAM 大小决定了观察数据的多少。最后 SignalTap 将读出RAM 中的数据并逐个在显示器中显示出来，因此 SignalTap 观测到的都是理想的（这说明再出现一些特殊信号时候，你是检测不出来的），没有毛刺的信号，工程师可以在显示器中观测信号，从而达到对信号进行在线调试分析的目的。
第2节 软件界面
打开 Quartus 软件，在菜单栏中，选择 Tools>SignalTal II Logic Analyzer 后可以打开 SignalTap 工具。如下图 1.5：
图 1.5- 3 中将需要注明的地方进行了标记，接下来将对各处功能进行详细介绍：
图 1.5- 3 中所标识的 1—4 为基本的软硬件配置：
1 为下载线选择；
2 为硬件检测（识别相关的 FPGA 设备）；
3 为工程配置文件选择（sof 文件）；
4 为加载 sof 文件（1-3 均完成后即可加载文件）。
图示 5—7 为采样设置：
5 为选择采样时钟，采样时钟要根据具体需要进行设置, 可以为模块的工作时钟，也可以为内部信号；
6 为采样深度设置，采样深度并非越大越好，要根据分析需求进行合理设置；
7 为触发位置选择，包括前段触发、中间触发、后端触发三种方式，以触发点为参考，根据触发位置的不同能得到不同时间段的信号值。
图示左边区域 8—9 为信号设置，包括添加信号，设置信号触发条件等。在 8 中空白处双击即可添加信号界面，根据需要添加工程中的相应信号，添加信号后即可设置其触发条件。
图中标识的 10 为资源使用情况指示，如果资源多于 FPGA 本身的资源，综合时会出现报错从而无法进行分析。
最上面的 11 为运行操作按钮，开始运行后，待触发条件满足后会显示波形。
第3节 使用流程
首先需要选择下载线方式、FPGA 芯片型号、工程配置文件，如下图 1.5- 4 所示：
随后设置采样时钟、采样深度以及采样信号。
图 1.5- 5 为采样时钟及采样深度的设置。此处选择 FPGA 内部 pll 锁相环输出的信号 c1 作为采样时钟。这里需要注意的是，采样时钟不一定是工程里的时钟，内部任何信号都是可以作为采样时钟的。这里将采样深度设置为 128，即共计可以观察到到 128 个采样点的数据。在 setup 窗口中双击空白地方，弹出如下图 1.5- 6所示界面。
图 1.5- 6 中红色框表示的是选择哪一阶段的信号，例如选取的是综合前或是综合后的信号等。因为综合时软件会自动进行优化，有些信号可能会找不到。一般会选择 pre-synthesis 或 Design Entry(all name)模式，在 Nodes Found 选择要观察的信号，将其添加到右边框中即可。
本例中选择 key_col 和 rst_n 信号来进行观察，如图 1.5-7所示：
采样信号选择好后即可进行触发条件的设置。观察 trigger Conditions 一列，key_col 的默认值为 xh（总线型信号的 don’t care），rst_n 的默认值为 don’t care。在 trigger Conditions 一列中右击 rst_n 所在的行，将会出现 6 种触发条件供工程师选择。
图 1.5- 8 中 6 种触发条件的含义如下：
Don’t Care：表示不关心，也即任意，此信号的值不影响触发条件；
Low ：低电平触发；
Falling Edge：下降沿触发；
Rising Edge：上升沿触发；
High：高电平触发；
Either Edge：双沿触发，即有变化时触发。
此处可以假定为上升沿触发，对 key_col 也进行触发条件的设置，具体设置如下所示。
图 1.5- 9 中设置的触发条件含义为：当 rst_n 为上升沿并且 key_col 全为高（Fh）时触发。注意，这里多触发条件之间默认为“与”的关系，可能会被误认为是“或”的关系。最后进行综合并下载，点击“Run Analysis”按钮后查看结果。
如果触发条件成立，则可在 Data 窗口观察到采样波形，图 1.5- 10 是某一工程的采样结果，可以看到其采样波形与 modelsim 波形相似。点击波形后可以放大波形进行观看，右击波形则为缩小波形。
第4节 案例说明
本节中将采用几个案例来对 SignalTap 的使用步骤进行详细的说明。
案例 1：SignalTap 的采样时钟不一定是时钟信号，也可以是其他任意的信号。SignalTap 会在采样时钟的上升沿对信号值进行捕捉，如果没有时钟上升沿则 SignalTap 一直处于等待状态。
案例 2：观测时可以改变采样的深度以便观察到信号更长时刻的值。图 1.5- 11 中设置的深度为128，这意味着一共可以观察到 128 个点的值。如果这一观察量不够则可以将其设置成更大的数值。
但需要注意的是，SignalTap 需要使用到 FPGA 内部的 RAM 资源来保存采样的数据，所以采样深度越大，需要使用的的 RAM 就越大，与此同时占用的 FPGA 资源也就更多。然而 FPGA 的资源是有限的，当 FPGA 的内部资源不支持设置采样点数所占用的 RAM 资源数时，在编译时会出现报错提示。
案例 3：通过设置 segmented 参数可以检查满足触发条件的次数。例如，发现按键存在失灵情况时，为了定位此问题需要检查按键按下的次数，判断其是否与捕捉到信号次数一致。
该操作的主要设置如下：
将 segmented 设置为 32；
将捕捉到信号 key_vld 拉到显示窗口，该信号为 1 表示捕捉到一个按键。
设置触发条件为：key_vld 的上升沿；
按下 run 键，等待触发条件满足；
按下按键 4 次。
按停止捕捉键。
如果此时 SignalTap 波形界面出现 5 个窗口，其中前 4 个表示条件满足捕捉到 key_vld 的上升沿触发条件的窗口，则表示按下按键的次数与捕捉到的次数一致。否则代表发生错误，按键存在问题。
案例 4：添加信号后，如界面中该信号显示为红色，如图 1.5- 12 所示，则表示该信号的捕捉存在问题。
采样信号为红色出现该问题的可能性原因有：
该信号在电路综合时被优化。
a) 虽然该信号已经产生，但其没有被视为条件进行调用，或者不是输出信号。此时系统认为信号是多余的，因此在综合时会将该信号优化掉。
b) 如果该信号是有用信号，不应该被优化掉。则说明电路有 BUG，需要工程师去定位错误。
组合逻辑信号一般是捕捉不到的。其解决方法为忽略该信号，可以将产生该信号的所有条件都调用出来，从而推敲结果是否正确。
案例 5：图 1.5- 13 中包含的一个案例触发条件是：当 en 为下降沿且 en_tmp 发生变化。注意，只有在采样时钟上升沿时捕捉到两个条件同时满足时才会进行触发。
图 1.5- 14 所示波形中，在第 5 时钟上升沿时观察到 en 等于 1，en_tmp 等于 1，其不满足条件。而在第 6 时钟时捕获到 en 的下降沿（之前为 1，现在为 0）与 en_tmp 的下降沿（之前为 1，现在为0），可以看出第 6 个时钟满足触发条件。
在线逻辑分析仪是每个 FPGA 学习开发者必须熟练掌握的基本工具，是使用 FPGA 的必备能力之一。针对 SignalTap 的使用方法，下面链接中提供了 6 个训练工程以方便练习掌握这一工具。
工程训练网址：请点击
