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La technologie des oscilloscopes traditionnels n’a pas suivi le débogage fonctionnel des FPGA, mais les oscilloscopes à signaux mixtes (MSO) peuvent fournir les capacités nécessaires.

Les MSO offrent les mêmes fonctionnalités que les oscilloscopes traditionnels pour mesurer l'intégrité du signal, la gigue et la caractérisation du signal. Les concepteurs peuvent choisir entre des versions dotées de deux ou quatre canaux d’entrée analogiques et d’une largeur de bande allant de 300 MHz à 1 GHz.

Ces fonctionnalités sont importantes pour la vérification des paramètres de signal. Par exemple, un concepteur peut facilement modifier les normes d'E / S et déterminer les points forts à l'aide de Xilinx FPGA Editor et mesurer les caractéristiques d'E / S réelles à l'aide des canaux d'un MSO.

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Les cœurs ATC2 permettent aux équipes de conception de sélectionner rapidement les signaux connectés aux broches pour la mesure. Chaque cœur peut être paramétré avec une seule banque de signaux ou jusqu'à 64.

La principale différence entre les MSO et les oscilloscopes à signaux numériques traditionnels réside dans l'ajout de 16 canaux d'échantillonnage asynchrones numériques sur le MSO. Les équipes de conception peuvent choisir la vitesse d'échantillonnage de ces canaux numériques. Les canaux numériques offrent un stockage en mémoire profonde indépendant du stockage en mémoire du canal analogique.

Les capacités des canaux numériques peuvent être utilisées de différentes manières, particulièrement utiles aux équipes développant des systèmes intégrant des FPGA.

Déclenchement et affichage du bus

Les oscilloscopes traditionnels offrent des capacités de déclenchement numériques leur permettant de se déclencher sur des modèles de canaux analogiques. Ainsi, avec un oscilloscope à quatre canaux, une équipe de conception peut déclencher un seul motif d’une largeur maximale de quatre signaux.

Le débogage nécessite souvent de regarder les bus utilisant un événement spécifique comme condition de déclenchement. En utilisant les canaux numériques d'un MSO, les concepteurs peuvent déclencher sur un motif numérique jusqu'à 16 signaux de largeur. Cela peut constituer une capacité puissante lorsque vous examinez une machine à états, un microcontrôleur intégré ou un bus de données. Les utilisateurs peuvent également déclencher et capturer des mesures sur les quatre canaux analogiques, en augmentant la largeur de déclenchement jusqu'à 20 signaux.

Bien que les canaux numériques puissent être utilisés pour effectuer des mesures strictement numériques, leurs capacités sont mieux utilisées pour examiner des problèmes à la fois fonctionnels et paramétriques. Par exemple, le déclenchement sur un bus numérique et cette condition de déclenchement arment la mesure de l'oscilloscope.

Visibilité interne étendue

Pour accéder aux signaux internes, les équipes de conception utilisent généralement l'approche de sortie pour amener les signaux aux broches pouvant être détectées à l'aide d'un oscilloscope.

En utilisant des oscilloscopes traditionnels, les concepteurs ont accès à deux ou quatre signaux à la fois. Cette visibilité étroite du signal peut compliquer le débogage car un certain nombre de problèmes nécessitent une visibilité simultanée sur un nombre plus élevé de signaux.

Pour accéder à de nouveaux signaux, le concepteur doit modifier la conception, synthétiser à nouveau et gérer un nouvel emplacement et une nouvelle route afin de rendre les signaux accessibles à l'oscilloscope. Ce processus peut prendre des heures.
Avec les canaux numériques d'un MSO, un concepteur a la visibilité de 16 signaux FPGA internes à la fois.

La puissance des canaux numériques du MSO peut encore être étendue lorsqu'elle est combinée à des technologies sur puce telles que Xilinx ChipScope Pro et la sonde dynamique Agilent FPGA.

ChipScope permet aux équipes de conception d'intégrer un noyau de débogage Agilent (ATC2) dans les conceptions FPGA. Cela fournit un moyen facile d'acheminer les signaux vers les broches, permet une configuration plus rapide du MSO et permet à l'utilisateur de mesurer rapidement de nouveaux groupes de signaux internes. Cette capacité étend la portée des 16 canaux numériques dans la conception FPGA.

Noyaux de synchronisation

Les cœurs ATC2 peuvent être configurés en tant que cœurs de synchronisation (asynchrones) ou d'état (synchrones). Les deux types de cœurs sont pris en charge avec le MSO.

Xilinx Core Inserter injecte un noyau dans une conception après la synthèse, avant le lieu et la route. Si le concepteur a spécifié un cœur de synchronisation, les outils de positionnement et de routage ne placent aucun flops entre le signal en cours de sondage et la broche de sortie.

Le routage du signal sur la broche pour la mesure est traité comme un faux chemin. Cela permet aux outils de localisation et de routage d'ignorer les contraintes de vitesse associées au routage d'un signal spécifique vers une broche.

Le cœur de synchronisation comprend un contrôleur JTAG, mais le contrôleur fonctionne généralement très lentement (moins de 5 MHz), car il n'est utilisé que pour de petits échanges d'informations, tels que la sélection d'une nouvelle banque de signaux.

Les cœurs de synchronisation peuvent être efficaces, car ils permettent à l'utilisateur de consulter des signaux provenant de plusieurs domaines d'horloge ou d'anomalies dont la durée est inférieure à un cycle d'horloge. Le principal compromis associé aux cœurs de synchronisation est qu'il y aura un biais entre les chemins de signaux.

État des noyaux

Les oscilloscopes traditionnels, ainsi que les MSO, fournissent une acquisition asynchrone. Les échantillons sont stockés à l'aide d'une référence d'horloge réglable interne à l'oscilloscope. Cela peut rendre difficile la capture et le déchiffrement avec précision des événements synchrones, car l'instrument capture les transitions non valides entre les cycles d'horloge.

Un moyen plus efficace de capturer des informations synchrones sur un seul domaine d'horloge consiste à paramétrer le cœur de l'ATC2 en tant que cœur d'état.

Un noyau d'état aura un impact minimal sur le calendrier de conception en raison de son architecture en pipeline. Un total de quatre bascules est placé entre le signal en cours de sondage et un pad de sortie. Les outils de conception placent le premier flop le plus près possible du signal à tester.

Les trois étapes supplémentaires de traitement en pipeline permettent au signal trois cycles d'horloge avant d'atteindre le pad de sortie. L'architecture en pipeline du noyau ATC2 permet aux outils de lieu et d'itinéraire d'avoir une probabilité beaucoup plus grande de respecter les objectifs de synchronisation d'origine de la conception.

Comme le cœur est synchrone, les outils de lieu et d’itinéraire permettent d’éliminer les biais entre les chemins de signaux.
Le principal compromis avec un noyau d’État est qu’il fonctionne avec un seul domaine temporel. À l'aide de l'approche du noyau d'état, les concepteurs qui doivent mesurer plusieurs domaines d'horloge peuvent le faire en insérant plusieurs cœurs d'état. Le MSO peut accéder à plusieurs cœurs ATC2, un à la fois, dans un seul FPGA ou répartis sur plusieurs FPGA sur une seule chaîne de balayage.

Les canaux numériques du MSO fournissent une acquisition exclusivement asynchrone. Pour le débogage FPGA, il existe une méthode permettant au MSO d'afficher des mesures synchrones, même si l'acquisition initiale a lieu de manière asynchrone.

Le noyau d'état ATC2 émet un signal d'horloge et des états de signal synchrones avec l'horloge. Les canaux numériques des MSO acquièrent ces informations d’état pré-formatées. Ensuite, le poste MSO traite cette mesure en utilisant une fonction d'affichage d'état qui permet à l'utilisateur de spécifier un signal comme horloge. Le MSO filtre toutes les transitions entre les états valides. Cela permet d'effectuer des mesures synchrones à l'intérieur du FPGA.

La nature reprogrammable de la technologie FPGA fait du débogage itératif rapide dans le monde réel un excellent compagnon pour la simulation. À mesure que les FPGA deviennent de plus en plus sophistiqués, le besoin d'une visibilité interne efficace augmente.