集成逻辑分析仪(ILA)的使用方法

大家好，这里是程序员 杰克 。一名平平无奇的嵌入式软件工程师。

在日常FPGA开发过程中，逻辑代码设计完成后，为了验证代码逻辑的正确性，优先使用逻辑仿真(modesim)进行验证。仿真验证通过后进行板级验证时，使用逻辑分析仪进行分析和验证逻辑是否正确。FPGA两大主流厂商的软件集成逻辑分析仪供使用，Altera的Quartus自带SignalTap、Xilinx的Vivado自带ILA逻辑调试工具。

本篇总结和分享在Xilinx编译工具Vivado环境下，使用内嵌的逻辑分析仪(ILA)的4种方法：

• HDL代码实例化ILA IP核
• Block Design添加ILA IP核
• Synthesis后对Nets执行Mark Debug操作
• 在HDL代码中使用属性关键字mark_debug

本文以"LED每0.5s间隔亮灭"工程为例，观测 led[0]信号以及led_cnt[24:0]时钟计数信号 ，演示ILA使用的4种方法以及相关的注意事项。

01 HDL代码实例化ILA IP核

在IP Catalog中搜索ILA，然后双击该IP核进行配置。

本示例中led[0]、led_cnt[24:0]信号位宽分别为1、25bit，具体配置如下所示；配置完成后，点击“OK”；在弹出的界面点击“Generate”完成IP核的配置和生成。

在Verilog代码中对刚生成的ILA核进行实例化，在具体代码添加例化代码，如下所示：

ila_0 ila_0_inst0 (
  .clk     (clk    ),     // input wire clk
  .probe0  (led    ),     // input wire [0:0]  probe0  
  .probe1  (led_cnt)      // input wire [24:0]  probe1
);

综合、实现、生成bit后写到FPGA芯片便可观测到信号(此处不做演示)。

特别说明：对于纯FPGA工程，杰克推荐该方式去使用ILA；

02 Block Design添加ILA IP核

在Vivado中，除了使用HDL语言去描述设计，还可以通过Block Design图形化连接的方式进行设计。7系列的软核MicroBlaze、带硬核的SOC芯片(ZYNQ、MPSOC等)的设计都是通过Block和HDL相结合来描述设计。本文仍以纯FPGA方式来说明在Block Design中使用ILA核(纯FPGA开发不建议)。ILA使用操作如下：

创建/打开Block Design，在Diagram界面，点击“+”按钮，搜索ILA，然后双击该IP核进行配置。

参数配置的方式与上一小节一致，这里不作赘述。不同之处是在Block Design中使用ILA核，ILA核的实例化HDL代码会自动生成到Block Design文件中。

综合、实现、生成bit后写到FPGA芯片便可观测到信号(此处不做演示)。

特别说明：

带MicroBlaze软核/ARM硬核的FPGA的复杂设计中，模块接口的信号观测ILA使用该方法；模块内部信号的观测ILA使用上一小节的方式；两者可结合使用。

03 综合后添加Mark Debug

对工程执行综合，综合完成后，找到要观测的信号的Nets，右键选择“Mark Debug”；

要观测信号的Nets选择并设置完成后，点击“Set Up Debug”；按照下面步骤配置Debug ILA参数；

Debug ILA配置完成后，保存SYNTHESIZED DESIGN后会在约束文件(.xdc)中生成ILA的配置约束，如下图所示：

综合、实现、生成bit后写到FPGA芯片便可观测到信号(此处不做演示)。

特别说明：mark_debug仅可以对Nets类型进行操作，不能对Cells操作；

04 HDL中使用MARK_DEBUG

MARK_DEBUG描述

vivado设计IDE提供了一些属性供开发者使用，本篇推文主要是描述MARK_DEBUG属性约束的使用和注意事项。详细可参考UG912文档的内容。使用MARK_DEBUG的条件如下：

约束对象必须是Nets类型

在Nets信号的顶端声明处进行约束

vivado提供了包括Verilog、VHDL、XDC三种语法。三种语法如下所示：

//Verilog语法
约束语法：
(* MARK_DEBUG="value" *) 
#value = true/flase
使用示例：
(* MARK_DEBUG="true" *) output wire led;
(* MARK_DEBUG="true" *) reg [24:0] led_cnt;


//VHDL语法
约束语法：
声明: attribute MARK_DEBUG : string;
语法: attribute MARK_DEBUG of signal_name : signal is "value";
//signal_name-内部信号, value = TRUE/FALSE
使用示例:
signal led : std_logic;
attribute MARK_DEBUG : string;
attribute MARK_DEBUG of led : signal is "TRUE";


//XDC语法
约束语法: 
set_property MARK_DEBUG value [get_nets < net_name >] 
#value = TRUE/FLASE
#net_name-是信号名
使用示例:
set_property MARK_DEBUG TURE [get_nets led];

使用MARK_DEBUG标记生成ILA观测信号步骤

在led[0]、led_cnt[24:0]信号的顶端声明处进行约束，省略代码如下：

module led_top(
    input   wire    clk_i,
    input   wire    rst_n,
    (* MARK_DEBUG="true" *) output  wire    led_o
)
;
...
(* MARK_DEBUG="true" *) reg [24:0] led_cnt;
...
endmodule

执行综合操作，综合完成后，打开综合设计，然后点击“Set Up Debug”；

按照下面步骤配置Debug ILA参数；

* Debug ILA配置完成后，保存SYNTHESIZED DESIGN后会在约束文件(.xdc)中生成ILA的配置约束，如下图所示：

综合、实现、生成bit后写到FPGA芯片便可观测到信号(此处不做演示)。

特别说明：

MARK_DEBUG约束标记会阻止Vivado对该信号以及下级信号的优化。因此，在逻辑验证完成后，要删除Mark_DEBUG约束标记或者将其失能。

05 文章总结

上面总结和分享了4种Vivado下使用ILA的方法。杰克更推荐使用前面两种实例化的方法去使用ILA IP核。对于 纯FPGA HDL开发 ，配置生成ILA核并在HDL代码中实例化使用便可；对于带软核/硬核的FPGA开发 ，在Block模块外部接口信号通过添加ILA核，Block模块内部信号则在HDL代码中实例化ILA核，两者结合使用。