Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Eksperymenty z FPGA (9)

Eksperymenty z FPGA (9)
Pobierz PDF Download icon

W tej części kursu przyjrzymy się przydatnej funkcji środowiska Quartus, czyli modułowi Signal Tap, pozwalającemu na podglądanie przebiegów zarejestrowanych wewnątrz układu FPGA. Dzięki niemu otrzymujemy wynik podobny do przebiegów z symulacji, ale wprost z „żywego” sprzętu.

Moduł odpowiedzialny za zbieranie i przechowywanie danych, zbudowany jest z tych samych zasobów co badana logika, przez co projekt wraz z dodatkowymi elementami powiększy się. Nie będzie to dokładnie nasz projekt, ponieważ po dołożeniu dodatkowych elementów, konieczna jest powtórna synteza, a co za tym idzie, rozłożenie logiki w strukturze układu FPGA zostanie wykonane ponownie. Może to skutkować zniknięciem pewnych amonali, które chcieliśmy wytropić, choć nie powinno się to często zdarzać. Pomimo niedogodności jest to przydatna metoda debugowania, pozwalająca przynajmniej częściowo zajrzeć do środka układu.

Signal Tap

Do eksperymentów wykorzystamy projekt odczytu dwóch kanałów ADC, który stworzyliśmy w poprzedniej części kursu (można go pobrać z repozytorium [1]). Otwieramy środowisko Quartus i załadowujemy projekt 09_adc\09_adc.qpf. Następnie wywołujemy jego budowę i czekamy, aż się zakończy. Warto zanotować poziom wykorzystania komponentów układu FPGA, aby po dodaniu modułu Signal Tap, porównać jak się zmienił.

Rysunek 1. Włączamy program Signal Tap

Narzędzie włączamy wybierając opcję Signal Tap Logic Analyzer (rysunek 1), z menu Tools. Pojawi się główne okno programu, podobne do tego z rysunku 2. Można w nim wydzielić kilka grup opcji. Na samej górze znajduje się menu programu. Pasek oznaczony jako (1), pozwala na uruchomienie zbierania danych oraz prezentuje aktualny stan systemu. W tej chwili jego kolor jest żółty, co oznacza, że nie jest gotowy do pracy. Kolor czerwony sygnalizuje, że wprowadziliśmy duże zmiany, które wymagają powtórnego zbudowania projektu.

Rysunek 2. Główne okno Signal Tap

W sekcji (2) znajdziemy listę dostępnych instancji, czyli wersji naszego analizatora logicznego. Możemy przygotować kilka wariantów i aktywować ten, który akurat potrzebujemy. Na potrzeby projektu aktywujemy tylko jeden. Sekcja (3) to główne okno projektu składające się z dwóch kart, między którymi możemy się przełączać za pomocą przycisków, zlokalizowanych w lewym dolnym rogu. Na początku znajdujemy się w zakładce Setup (ustawienia). Na razie jest ona pusta, ale niebawem dodamy tu sygnały, które chcemy obserwować. W drugiej zakładce Data (dane) dostępne będą zebrane dane. Mniejszy panel (4) pozwala na obsługę interfejsu JTAG. Możemy tu wybrać programator, wykryć wersję układu FPGA oraz wgrać bitfile, dzięki czemu nie musimy przełączać się do okna programatora. Na końcu została nam zakładka (5) – Signal Configuration (konfiguracja sygnału), gdzie ustawiamy opcje takie jak zegar, który będzie taktował nasz moduł, oraz liczbę próbek jaką chcemy zapisać. Przyjrzyjmy się teraz krok po kroku co musimy skonfigurować, aby zebrać interesujące nas dane.

Konfiguracja sygnałów

Zacznijmy od dodania sygnałów, które chcemy obserwować. Klikamy na środku okna (3), obok napisu Double-click to add nodes (kliknij dwukrotnie aby dodać węzły). Otworzy się okno Node Finder, pokazane na rysunku 3. Najpierw naciskamy przycisk (1). Pojawią się dodatkowe opcje. Aby zobaczyć wszystkie dostępne sygnały z Filter (2) wybieramy Design Entry (all names). Następnie naciskamy List (3). Dostępne sygnały pojawiają się w oknie Matching Nodes (4).

Rysunek 3. Lista sygnałów, które możemy dodać do obserwacji

Na rysunku 4 pokazano okno z już załadowaną listą połączeń. Teraz możemy wybrać sygnały, które nas interesują. Wybieramy wejściowy sygnał command_channel, który służy do wybrania kanału do przetworzenia, oraz command_ready, mówiący o gotowości przetwornika do kolejnego pomiaru. Decydujemy się także na trzy sygnały z interfejsu wyjściowego: response_channel, response_data oraz response_valid.

Rysunek 4. Wybieramy sygnały przypisane do instancji adc_inst

Wybrane sygnały przenosimy do drugiej kolumny Nodes Found za pomocą przycisku (1). Na końcu zatwierdzamy wybór, naciskając znajdujący się w prawym dolnym rogu przycisk Insert, a następnie zamykamy okno klikając przycisk Close. Sygnały pojawiły się na głównym ekranie, co pokazuje rysunek 5.

Rysunek 5. Lista sygnałów wybranych do obserwacji

Teraz przechodzimy do konfiguracji modułu, którą wykonamy w panelu Signal Configuration (po prawej stronie okna), pokazanego na rysunku 6. Zaczynamy od wyboru zegara. W linii Clock naciskamy przycisk (1).

Rysunek 6. Panel Signal Configuration

Znowu pojawi się okno Node Finder, pokazane na rysunku 7. Tutaj także naciskamy przycisk List, a następnie dodajemy linię clk z komponentu adc_top. Jest to nasze wejście zegarowe, gdzie dołączony jest zewnętrzny generator sygnału. Zatwierdzamy przyciskiem OK.

Rysunek 7. Wybieramy sygnał zegarowy w oknie Node Finder

Wróćmy do rysunku 6 i punktu oznaczonego cyfrą (2). W zakładce Data (dane) w polu Sample depth (liczba próbek) konfigurujemy rozmiar pamięci, w której będą zapisywane wyniki pomiarów. Wybieramy 4 K, czyli 4096 tysiąca kolejnych wartości. Nie możemy wybrać dowolnie dużej wielkości, bo ogranicza nas rozmiar pamięci RAM dostępnej w układzie. Na przykład, jeśli spróbujemy wybrać 8 K, to podczas budowania projektu zostanie zwrócony błąd, spowodowany niewystarczającą liczbą zasobów.

Zbieramy dane

Podstawowa konfiguracja jest już gotowa. Teraz musimy powtórnie skompilować projekt, o czym informuje nas czerwony pasek na górze okna. Naciskamy niebieską strzałkę na pasku zadań (rysunek 8).

Rysunek 8. Uruchamiamy budowę projektu

Potwierdzamy, jeśli pojawi się pytane o dodanie do aktualnego projektu. Przed rozpoczęciem budowania, musimy też zapisać projekt naszego analizatora. Zostaniemy przeniesieni do środowiska Quartus. Kiedy budowa projektu się zakończy, warto zwrócić uwagę na podsumowanie zużycia zasobów. Porównanie projektu bez i z SignalTapem pokazuje rysunek 9. Widzimy, że zużył on dość sporo komponentów, czyli około jednej czwartej zasobów logicznych oraz połowę dostępnej pamięci RAM.

Rysunek 9. Porównanie zużycia zasobów dla projektu bez oraz z modułem SignalTap

Wróćmy do ekranu SignalTap, a dokładniej do zlokalizowanej w prawym górnym rogu obsłudze programatora, którą znajdziemy na rysunku 10.

Rysunek 10. Obsługa programatora

Klikamy przycisk (1) i ładujemy plik ze zbudowanym projektem output_files\adc_top.sof. Następnie programujemy układ FPGA, klikając (2).
Kiedy proces zakończy się powodzeniem (co może zająć trochę czasu), pojawi się napis Ready to acquire. Zbieranie danych rozpoczynamy wyborem naszej instancji z widocznej na rysunku 11 listy (1) oraz kliknięciem przycisku Run Analysys (2). Po chwili zostaniemy przełączeni z zakładki Setup do zakładki Data, widocznej na rysunku 12, gdzie zobaczymy uzyskane przebiegi. Za pomocą lewego i prawego przycisku myszy możemy powiększać lub pomniejszać wykres.

Rysunek 11. Uruchamiamy zbieranie danych
Rysunek 12. Wykres przedstawiający zebrane przebiegi
Rysunek 13. Zmiana formatu wyświetlania danych

Aby zmienić sposób interpretowania danych, klikamy prawym przyciskiem myszy na nazwę sygnału. Z menu kontekstowego wybieramy ostatnią pozycję – Bus Display Format (format wyświetlania szyny), co pokazuje rysunek 13. Przykładowo, dla sygnału response_data wybiorę opcję Unsigned Decimal, czyli wartości dziesiętne bez znaku.

Rysunek 14. Dodanie kursora do przebiegów

Możemy także dodać kursor, który pomoże nam zmierzyć czas pomiędzy zdarzeniami. W tym celu naciskamy na napis click to insert time bar (naciśnij aby dodać kursor czasowy) na belce nad przebiegiem – na rysunku 12 została ona oznaczona numerem (1). Pojawi się dodatkowe okienko, w którym widzimy zbliżenie na wybrany punkt w czasie – na rysunku 14 zaznaczone jako (1). Kursor możemy przesuwać myszką, albo w sposób precyzyjny za pomocą strzałek (2). Sam kursor znajdziemy pod numerem (3).

Kiedy naciśniemy po raz kolejny na górny pasek, dodany zostanie następny kursor, którego wartość podana będzie względem pierwszego (głównego) kursora. Na rysunku 14 dodane zostały dwa takie kursory – (4) i (5), umiejscowione w momentach, gdy pojawia się kolejna dana na wyjściu. Widzimy, że pomiędzy dwoma kolejnymi odczytami mija 320 cykli zegara, a ponownie obsłużenie kanału pierwszego następuje po 620 cyklach. Ponieważ częstotliwość zegara to 8 MHz, odpowiada to kolejno 40 ms i 80 ms. Widzimy więc, że ADC dokonuje pomiaru z częstotliwością 25 kHz, czyli zgodnie z tym, co ustawiliśmy w konfiguracji. Aby usunąć wskaźniki, klikamy na pasek prawym przyciskiem myszy, a z menu kontekstowego wybieramy Delete All Time Bars (usuń wszystkie kursory czasu), jak na rysunku 15.

Rysunek 15. Usuwanie kursorów

Uruchomiliśmy narzędzie w trybie wyzwalanym przez nas. Ponieważ wybraliśmy bardzo duży rozmiar bufora, a interesujące nas zdarzenia (odczyt z ADC) występują często i w stałych odstępach czasu, to i tak złapaliśmy dość dużą ich liczbę. Jednak w przypadku zdarzeń występujących rzadziej, możemy posłużyć się wyzwalaniem (ang. trigger). Wróćmy do zakładki setup i w kolumnie trigger conditions (warunki wyzwalania) kliknijmy prawym przyciskiem myszy w wierszu response_valid.

Rysunek 16. Ustawienia wyzwalania

Pojawi się zaprezentowane na rysunku 16 menu kontekstowe, gdzie możemy wybrać kiedy ma nastąpić wyzwolenie pomiaru. Domyślna opcja to Don’t Care (nie przejmuj się). Możemy też wybrać reakcję na wartość, albo na zbocze. Ja wybiorę wyzwalanie na zbocze narastające (Rising Edge). Można także określić, jak będą traktowane kryteria dla poszczególnych sygnałów. Listę dostępnych opcji pokazuje rysunek 17.

Rysunek 17. Konfiguracja wzajemnej zależności pomiędzy rożnymi wymuszeniami

Zmiana sposobu wyzwalania nie wymaga ponownej budowy projektu. Wiemy o tym, ponieważ w górnej części okna nadal widoczna jest informacja Ready to acquire. Wracamy więc do zakładki Data i wyzwalamy powtórnie pomiar przyciskiem Run Analysis. Kiedy dane zostaną załadowane, zobaczymy że zerowa próbka pokrywa się ze skonfigurowanym przez nas triggerem – zostało to pokazane na rysunku 18.

Rysunek 18. Próbka zerowa zgadza się z ustawieniem triggera

W panelu Signal Configuration mamy możliwość dokonania bardziej zaawansowanej konfiguracji wyzwalania, gdzie między innymi możemy wybrać, czy chcemy aby moment wyzwolenia był na początku, w środku, czy na końcu danych (rysunek 19). Mamy taką możliwość, ponieważ dane ciągle zbierane są w buforze cyklicznym, natomiast sam trigger decyduje tylko o momencie, kiedy zapis zostanie zatrzymany.

Rysunek 19. Konfiguracja momentu wyzwalania względem zbieranych danych

Zbieranie warunkowe

W tej chwili interesujące dane stanowią niewielki ułamek zawartości bufora, gdzie wartości pomiarów to tylko jedna próbka na 320 zapisanych. Możemy to zmienić, korzystając z opcji Storage qualifier z zakładki Signal Configuration. Domyślna opcja to Continuous, czyli „zapisuj wszystko”, przejdźmy jednak na opcję Conditional – warunkowo (rysunek 20).

Rysunek 20. Dodajemy warunek, który musi zostać spełniony, aby dane zostały zapisane

Kiedy wybierzemy opcję w oknie z sygnałami, pojawi się nowa kolumna – Storage Qualifier, co pokazuje rysunek 21.

Rysunek 21. Nowa kolumna Storage Qualifier, która pozwala dodać warunek zapisu danych

Przyjmijmy, że interesują nas tylko poprawne wyniki pomiarów z kanału 1. W tym celu w wierszu response_valid wybieramy stan logiczny 1, a w wierszu response_channel wpisujemy 1. Na górze kolumny zostawiamy opcję Basic AND, ponieważ chcemy żeby zapis nastąpił, gdy oba warunki są spełnione. Gotową konfigurację pokazuje rysunek 22.

Rysunek 22. Ustawiamy aby zapisane zostały jedynie poprawne próbki, zebrane z kanału 1

Ponieważ dokonujemy dużej modyfikacji, konieczna jest powtórna budowa projektu. Informuje nas o tym czerwony komunikat wyświetlony w górnej części okna (rysunek 23).

Rysunek 23. Informacja o konieczności przeprowadzenia ponownej budowy projektu

Zgodnie z sugestią powtórnie uruchamiamy kompilację, a po jej zakończeniu ponownie programujemy układ FPGA. Kiedy będziemy gotowi, możemy znów rozpocząć zbieranie danych, a po jego zakończeniu, zobaczymy rezultat podobny jak na rysunku 24.

Rysunek 24. Dane zebrane przez Signal Tap

Zgodnie z oczekiwaniem, wartości w pierwszych czterech liniach nie ulegają zmianie, ponieważ są one ściśle związane z ustawionym przez nas warunkiem. Najciekawszy jest ostatni wiersz, zawierający wyniki pomiarów. Widzimy, że wartości zmieniają się bardzo często. Aby wynik był czytelniejszy, możemy zmienić tryb wyświetlania na graficzny. W tym celu, tak jak przy zmianie sposobu interpretacji danych, klikamy nazwę sygnału prawym przyciskiem myszy. Z menu kontekstowego, przedstawionego na rysunku 25, wybieramy opcję Bus Display Format, a następnie Unsigned Line Chart (wykres liniowy dla liczb bez znaku).

Rysunek 25. Wybór trybu graficznego
Rysunek 26. Dane z przetwornika ADC zaprezentowane w trybie graficznym

Rezultat pokazuje rysunek 26. Widzimy przebieg funkcji, ponieważ tym razem do wejścia, zamiast potencjometru, podłączyłem generator funkcji, ustawiony na sygnał sinusoidalny o częstotliwości 20 Hz, wartości międzyszczytowej 1 V i z offsetem 1,5 V. Jeśli przełączymy się na wykres słupkowy (Unsigned Bar Chart), to zobaczymy wynik podobny jak na rysunku 27.

Rysunek 27. Wykres słupkowy (Unsigned Bar Chart)

Tym razem, aby różnice między kolejnymi punktami były większe, sygnał wejściowy ma częstotliwość równą 1 kHz.

Podsumowanie

W tym odcinku zaznajomiliśmy się z bardzo przydatnym narzędziem podczas debugowania. SignalTap pozwala analizować przebiegi z wnętrza naszego układu FPGA. Opisane w artykule funkcje zostały także pokazane na filmie [2]. W kolejnej części kursu wrócimy do przetwornika ADC i zajmiemy się przetwarzaniem dźwięku.

Rafał Kozik
rafkozik@gmail.com


Przypisy:
[1] https://bit.ly/30Bg2FI – repozytorium z przykładami
[2] https://bit.ly/2WHDjER – film demonstrujący konfigurację Signal Tap

DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio styczeń 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje grudzień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna grudzień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich grudzień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów