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如何将FPGA设计验证效率提升1000倍以上(1)

ai 2025/6/26 7:46:31

我们将以三个设计样例，助力您提升设计开发效率。

对于FPGA应用开发来说，代码是写出来的，更是调试出来的。软件仿真拥有最佳的信号可见性和调试灵活性，被大多数工程师熟练使用，能够高效捕获很多显而易见的常见错误。

然而，由软件实现的数字仿真过程运行速度有限，很难做到100%代码覆盖。导致那些隐藏的设计问题，将不可避免的逃逸，只能以FPGA 在线调试方式解决。换而言之，硬件在线调试将成为查找设计bug、解决设计潜在缺陷的最后防线。

如果对处于全速(at-speed)运行下的FPGA调试，在现有通用“能力技术”基础上，再增加“硬件断点”功能，那么也就对高速运行FPGA，拥有像调试软件程序类似的完整的可控制能力：

冻结时钟，FPGA“原地”保持静止不动，获取周期精确的信号数据；
释放时钟：就像松开了FPGA“刹车片”，继续恢复至全速运行状态。

以赛灵思FPGA为例，用户已经能从硬件的运行特征出发，为设计增加两类硬件断点：

其中最基础的是时钟断点（Clock-based Breakpoint），可视为“运行时钟周期数触发的中断”，即FPGA设计在运行过程中，一旦遇到时钟断点，立即暂停执行，原地原位保持静止状态，用于获取周期精确的信号数据。

用户在设计阶段，只需将下面的钟断点控制模块(interruption logic)，事先集成到待测DUT的顶层(hw_top)，就可获得这样的在线调试能力。

本文是系列文章的第一篇，将以最基础的 counter设计作为样例，以按图索骥的方式，详细介绍在设计中集成时钟断点的实现过程，对原有设计的改动非常小，仍然保持优异的时序性能。

以下为正文

1.样例简要介绍

输入时钟为125 MHz，按秒计时输出，由8个LED灯循环显示当前读秒计数。对应的顶层设计top.v如下：

//===========================================================================
// top.v 
//===========================================================================
module top(input gclk,input reset,  output [7:0] count_o
);wire [26:0] i_counter;// instantiate module countcount inst_count (.rst       (reset),.clk       (gclk),.count_out (count_o),.count     (i_counter));
endmodule//===========================================================================
// count.v
//===========================================================================
module count (clk,rst,count_out,count
);input rst;                // Active low resetinput clk;                // 125MHz input clockoutput reg [7:0] count_out;   // Output to LEDsoutput reg [26:0] count;//Counter to reduce speed of outputalways @(posedge clk)if (!rst) begincount <= 0;endelse begin count <= count + 1;endalways @(posedge clk)if (!rst)count_out <= 8'h00;else beginif (count == 27'h773_5940) begincount_out <= count_out + 1;endendendmodule

对应的约束文件：

#Arty A7-35T Pinout## Clock signal
create_clock -name gclk -period 8.000 [get_ports gclk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports { gclk }]
set_property PACKAGE_PIN E3 [get_ports { gclk }]#Counter 8-bit input and outputs - RST signal and LED indicators
## 4 LEDs
## Blue LEDs for another 4 led counting
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {count_o[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {count_o[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {count_o[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {count_o[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {count_o[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {count_o[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {count_o[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {count_o[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports reset]set_property PACKAGE_PIN H5 [get_ports {count_o[0]}]
set_property PACKAGE_PIN J5 [get_ports {count_o[1]}]
set_property PACKAGE_PIN T9 [get_ports {count_o[2]}]
set_property PACKAGE_PIN T10 [get_ports {count_o[3]}]
set_property PACKAGE_PIN E1 [get_ports {count_o[4]}]
set_property PACKAGE_PIN G4 [get_ports {count_o[5]}]
set_property PACKAGE_PIN H4 [get_ports {count_o[6]}]
set_property PACKAGE_PIN K2 [get_ports {count_o[7]}]
set_property PACKAGE_PIN A8 [get_ports reset]

当您按照创建Vivado设计项目，导入以上约束文件时，请按照自己的硬件板卡定义进行修改。

2. 时钟断点控制模块

该模块位于forgedaX软件/breakpoint/controller/clock-based子目录。

module interruption_logic((* dont_touch = "true" *) output reg [63:0] cycles,input sys_clk,input sys_reset,output task_clk
);wire clk_en;wire [63:0] breakpoint;reg [63:0] counter;reg break;il_vio_0 il_vio (.clk(sys_clk),.probe_in0(counter),.probe_in1(cycles),.probe_out0(breakpoint),.probe_out1(clk_en));always @(posedge sys_clk)beginif (!sys_reset)begincounter <= 0;break <= 0;endelse if (clk_en)beginif (counter == breakpoint)beginbreak <= 1'b1;endelsebegincounter <= counter + 1;break <= 1'b0;endendendBUFGCE inst_bufgce (.O(task_clk),.I(sys_clk),.CE(clk_en & ~break));always @(posedge task_clk)beginif (!sys_reset) begincycles <= 0;end  elsebegincycles <= cycles + 1;endendendmodule

该模块非常精简，对您的原生设计的改动很小，所占用的硬件资源也非常少，应用设计在集成断点后，仍然保持优异的时序性能。

在本样例中，该断点控制模块仅使用了不到700个LUT，在7A35T芯片总计20800个LUT资源中，占比约为3.36%。