FPGA的调试-虚拟JTAG

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对于FPGA调试，主要以Intel FPGA为例，在win10 Quartus ii 17.0环境下进行仿真和调试，开发板类型EP4CE15F17。主要包括一下几个部分：

- FPGA的调试-虚拟JTAG（Virtual JTAG）

- FPGA的调试-在线存储器内容编辑工具(In-system Memory Content Editor)

- FPGA的调试-内嵌逻辑分析仪(SignalTap)

- FPGA的调试-LogicLock

- FPGA的调试-调试设计的指导原则

上述内容主要参考《通信IC设计》，有兴趣的可以自己购买书籍进行研读。

FPGA的调试-虚拟JTAG

1.功能及简介

　　虚拟JTAG（xilinx也有类似的工具，但是不知道叫什么名字 囧 ）就是利用FPGA自身的JTAG口建立对设计课件的调试手段，只要通过例化虚拟JTAG模块，就能通过FPGA器件本身的JTAG引脚对FPGA中的CPU或者逻辑进行调试。
　　虚拟JTAG的核心包括两部分：（1）直接在HDL代码中例化SLD_VIRTUAL_JTAG宏功能，使FPGA器件的JTAG接口能够访问FPGA设计指定的部件或者接口信号；（2）通过TCL控制界面以及Quartus_stp.exe接口，实现数据读写操作。其中第二部分还可以利用启动Quartus_stp.exe
端口映射实现基于虚拟串口的调试（可以绕过Quartus_stp.exe，直接对VJTAG操作的方法，具体参见github上的open-sld项目）。虚拟JTAG功能与FPGA本身的SIgnal-TAP以及JTAG下载是并行时分复用的。
　　虚拟JTAG可以通过TCL脚本在线地把PC机的数据写入到FPGA内部或者从FPGA内部读出并传到PC机。这样，在调整算法参数（如PID的参数整定）的时候，无需多次综合。此外，只要你会用TCL的TK图形库，就能利用虚拟JTAG做上位机。

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这部分是特权同学介绍的：传送门

　　这一篇博文里将介绍基于Virtual JTAG的调试方法。对于Virtual JTAG，特权同学也很陌生，在这之前只记得riple兄的博客公告里有一句“Virtual JTAG是一个非常实用的工具，希望更多的朋友把它用起来”。一直以来对tcl不是很熟悉（找了不少资料，但是一直没好好静下心来学习），对Virtual JTAG也不是很熟悉。不过借着这次机会，特权同学好好感受了回Virtual JTAG的很好很强大。

　　关于Virtual JTAG的资料，特权同学主要还是参考了官方的一些文档：

• ug_virtualjtag.pdf【Virtual JTAG Megafunction User Guide】

• AN 39_ IEEE 1149.1 (JTAG) Boundary-Scan Testing in Altera Devices
  (PDF) .pdf

  　　当然，英文看得一头雾水找不到眉目的时候，google一下，最终还是riple兄的数篇关于Virtual JTAG的文章（http://blog.ednchina.com/riple/10862/category.aspx）帮了我很大忙。这里要表示感谢，因为在网络上有很多很多像riple兄这样无私的人，才让我们的学习变得简单了。

  　　这个Virtual JTAG确实也不算什么新奇玩意，可以简单的理解，它和特权同学项目日志2里提到的利用串口来调试的方法思路是一致的。只不过相对于使用Altera支持Virtual JTAG器件的用户来说，如果掌握了这个调试方法，可以省却很多时间和精力（当然也包括额外调试用外设的考虑）。从硬件框图上来理解这个东西，可以如图1所示。和PC机连接只有使用现有的FPGA的JTAG端口，不需要任何额外的电路，这就是它最大的优势。另外，在我们原有的工程中例化一个Virtual JTAG的IP核，利用这个IP核给出的接口来传输数据即可。用户要做的主要任务就是设计符合传输协议的逻辑，适时的将数据接收进来或者传输出去。这一点上和之前提到的串口方法类似。但是，在PC端，用户就可以利用Quartus II提供的tcl支持来定制化自己需要的处理方式。

2.简单实例

这部分是一个简单的例子，主要参考一篇博客：传送门

(0).新建工程

选好路径，设置好工程名及芯片类型。

(1).新建一个虚拟JTAG的IP核

1.Tools —>IP Catalog

2.搜索 vir ，找到Altera Virtual JTAG

PS:点击进去以后，貌似Quartus 13是这样的页面：

下图这一步是设置仿真激励，目前我们不需要仿真，可以直接点finish，生成IP核。

但是17.0时进入QSYS中进行设置，生成的IP貌似没区别，没有对比过，无法得出结论，继续。

3.设置Entity 名字—-> OK

4.设置相关参数
建议手动设定虚拟JTAG的索引号（index），这里设为0，记住索引号，后面有用。如下图所示。

5.Generate—->Generate HDL

6.进入如下页面，其中.bsf文件是原理图设计时的Symbol，建议勾选上。

7.成功

(2).建立Verilog文件，代码如下。注意例化时的名称

在这之前需要将上一步制作的IP核添加到工程中，上诉工程结束时，会在工程文件夹下有个与IP名称相关的文件夹，在文件夹下有个synthesis文件夹，里面就是IP核。具体如下

vjtag.v代码

module vjtag (
input clock,
output reg [7:0] my_counter='b0
);

always @ (posedge clock)
    if (load && e1dr)     // decode logic: used to load the counter my_counter
        my_counter <= tmp_reg;
    else
        my_counter <= my_counter;

// Signals and registers declared for VJI instance
wire tck, tdi;
reg tdo='b0;
wire cdr, eldr, e2dr, pdr, sdr, udr, uir, cir;
wire ir_in;

// Instantiation of VJI
vjtag_inst my_vji(
.tdo (tdo),
.tck (tck),
.tdi (tdi),
.tms(),
.ir_in(ir_in),
.ir_out(),
.virtual_state_cdr (cdr),
.virtual_state_e1dr(e1dr),
.virtual_state_e2dr(e2dr),
.virtual_state_pdr (pdr),
.virtual_state_sdr (sdr),
.virtual_state_udr (udr),
.virtual_state_uir (uir),
.virtual_state_cir (cir)
);

// Declaration of data register
reg [7:0] tmp_reg='b0;

// Deocde Logic Block
// Making some decode logic from ir_in output port of VJI
wire load;
assign load = ir_in;

// Bypass used to maintain the scan chain continuity for
// tdi and tdo ports
reg bypass_reg='b0;
always @ (posedge clock)
    bypass_reg <= tdi;

// Data Register Block
always @ (posedge tck)
if ( load && sdr )
    tmp_reg <= {tdi, tmp_reg[7:1]};

// tdo Logic Block
always @ (*)
    if(load)
        tdo <= tmp_reg[0];
    else
        tdo <= bypass_reg;

endmodule

(3).分配引脚，综合，调用SignalTAP，采集my_counter信号，再综合下载代码。

(4).在上面的工程目录下，新建一个TCL脚本，这里是VJTAG.tcl。代码如下。

VJTAG.tcl

# exec "D:\\altera\\13.0sp1\\quartus\\bin64\\quartus_stp.exe" "-t" "G:\\WorkDir\\ProAltera\\ProAVerilog\\vjtag\\vji_ctl.tcl"

set usb [lindex [get_hardware_names] 0]
set device_name [lindex [get_device_names -hardware_name $usb] 0]

proc push {value} {
    global device_name usb
    if {$value > 256} {
        return "value entered exceeds 8 bits" 
    }

    open_device -device_name $device_name -hardware_name $usb
    set push_value [int2bits $value]
    set diff [expr {8 - [string length $push_value]%8}]

    if {$diff != 8} {
    set push_value [format %0${diff}d$push_value 0]
    }
    puts -nonewline "push value : "
    puts $push_value

    device_lock -timeout 10000

    device_virtual_ir_shift -instance_index 0 -ir_value 1
    device_virtual_dr_shift -instance_index 0 -dr_value $push_value -length 8

    device_unlock
    close_device
}

proc int2bits {i} {
     set res ""
     while {$i>0} {
         set res [expr {$i%2}]$res
         set i [expr {$i/2}]
     }
     if {$res==""} {set res 0}
     return $res
}

push 3

(5).在Quartus里，调出TCL控制台。

因为Quartus17.0的TCL控制台有bug，不能载入::quartus::project包，所以不能直接在TCL控制台使用该包的命令（如quartus_stp -t a.tcl，会出错），于是，这里使用exec命令，间接调用quartus_stp命令。（网上的例子多数用的是老版本的Quartus，可以载入::quartus::project包，也可以直接使用quartus_stp -t a.tcl命令）

在TCL控制台中，使用

 exec "E:\\intelFPGA\\17.0\\quartus\\bin64\\quartus_stp.exe" "-t" "G:\\USE\\FILE\\FPGA\\001_TEST\\VJTAG.tcl"

E:\intelFPGA\17.0\quartus\bin64\ ， 是我的quartus的安装目录，G:\USE\FILE\FPGA\001_TEST\， 是上面的工程目录。

这两个目录都要按照自己的实际修改，注意：路径分隔符用\。

然后，回车，正常的话，会输出以下信息。

其中push命令，可以把数据通过虚拟JTAG发到FPGA，load和e1dr信号有效的话，就把数据装载到my_counter。

最后，可以在Signaltap里，看到my_counter的值，有变化。

(6).以上例子的使用流程。

只要修改TCL脚本中的push命令后面的参数，保存，再在Quartus的TCL控制台中调用exec命令（使用方向键↑，可以调用以前的命令），就可以把数据发到FPGA的tmp_reg，再利用load和e1dr装载到my_counter。

3.复杂实例

这部分还没想好怎么写，就先放置一段时间

4.参考资料

这是一些基本资料和官方资料还有部分进击资料，其中官方资料建议去官网下载，找到自己对应的版本。
这是一些视频教程：https://so.youku.com/search_video/q_%E8%99%9A%E6%8B%9Fjtag
虚拟JTAG的博客：http://archive.ednchina.com/bbs.ednchina.com/BLOG_PERSONALCAT_100227_41415.HTM
QuartusII脚本参考手册：https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/manual/tclscriptrefmnl.pdf
虚拟JTAG官方文档：https://download.csdn.net/download/pieces_thinking/10646699
《TCL/TK入门经典》：https://download.csdn.net/download/pieces_thinking/10646726