Vivado ILA Capture Control 模式与 Advanced Trigger的功能使用以及TSM（触发状态机）的编写

文章目录

一、前言
二、ILA的基本功能使用以及局限性
- 2.1 ILA的调用
- 2.2 ILA波形窗口观察
- 2.3 ILA基本功能的局限性：如何观测低频的数据？
二、Capture Control 功能介绍
三、Advanced Trigger功能以及TSM编写
- 3.1 触发状态机的写法
- 3.2 设置Advanced Trigger
- 3.3 编写触发状态机（TSM）
- 3.4 下载程序后，加载TSM文件并且编译
四、总结

一、前言

在XILINX FPGA开发中，我们经常使用逻辑分析仪（ILA）对工程进行debug调试。绝大部分情况ILA的基本功能就可以满足大部分人的使用；但是存在少数情况使用基本的ILA无法捕捉到我们想要观看的波形，所以就有了ILA高级捕获的功能：Capture Control 与Advanced Trigger。

二、ILA的基本功能使用以及局限性

2.1 ILA的调用

大家经常用的ILA（Integrated Logic Analyzer）有三种配置方式：

创建ILA核并且例化到所要测试的模块里

按照步骤生成ILA后，例化到程序模块，把对应的信号连接上对应探针端口即可。
使用标记语句对信号进行标记 (* MARK_DEBUG=“true” *)
在程序模块，在想要观测的信号前面加上这语句然后综合。

综合完成后，打开综合设计（Open Synthesized Design）

点击（Set Up Debug）

创建完记得保存约束文件，然后布局布线再生成bit流即可
标记数据路径
综合完成后，打开综合设计（Open Synthesized Design），在Netlist中选择想要观测的信号，单击右键选择（Mark Debug）

在最下方Debug窗口选择设置的信号，单击右键，创建ILA，步骤与其它方式一致，这里不在赘述。

2.2 ILA波形窗口观察

在调用ILA并且生成bit流后下载程序，窗口会自动弹出ILA窗口。
在这里插入图片描述

至此，已完成ILA的基本使用。

2.3 ILA基本功能的局限性：如何观测低频的数据？

根据手册我们知道，连接ILA的时钟必须是一个“自由”的时钟，即上电就有的时钟，例如外部晶振。不能是从serdes恢复出来的时钟，自分频的时钟等等，否者下载程序会报错。ILA时钟频率也必须是JTAG时钟的2.5倍以上，JTAG也有最低的速率要求：
在这里插入图片描述
因此，由上图JTAG时钟的列表可以找到，JTAG时钟最低可设置为125KHZ，所以理论上连接ILA的时钟最低也是312.5KHZ，但是对于ILA低于 20M 的采样时钟会不能正常工作。而且过低的JTAG时钟会导致下载程序时间非常长，默认的JTAG时钟为15M。通常在FPGA设计中，程序的时钟大多数都在几十兆甚至几百兆，如果我想看频率只有几十K的信号，用几十兆的时钟去采样，那么波形窗口将全是重复的点，达不到预期想要的效果。

例如：我们用50M时钟要产生一个PWM信号，PWM周期为2s，如图所示：
在这里插入图片描述
程序如下：

`timescale 1ns / 1ps

module breath_led#
(
    parameter                                           cnt_1us = 6'd50,
    parameter                                           cnt_1ms = 10'd1000,
    parameter                                           cnt_1s  = 10'd1000
)
(
    input                                               sys_clk ,
    input                                               sys_rstn    ,
    output  reg                                         pwm
);

   	reg             [5:0]                               cnt_us  ;	//1us计数器
   	reg             [9:0]                               cnt_ms  ;	//1ms计数器
    reg             [9:0]                               cnt_s   ;	//1秒计数器
    reg                                                 pwm_flag   ;//pwm输出flag
    reg                                                 cnt_1ms_done    ; //1ms计数完成信号


//1us计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rstn) begin
    if(sys_rstn == 1'b0)
        cnt_us <= 6'd0;
    else if(cnt_us == cnt_1us - 1)
        cnt_us <= 6'd0;
    else
        cnt_us <= cnt_us + 1'b1;
end

//1ms计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rstn) begin
    if(sys_rstn == 1'b0)
        cnt_ms <= 10'd0;
    else if((cnt_ms == cnt_1ms - 1) && (cnt_us == cnt_1us - 1))
        cnt_ms <= 10'd0;
    else if(cnt_us == cnt_1us - 1)begin
        cnt_ms <= cnt_ms + 1'b1;
        cnt_1ms_done <= 1'b1;
    end
    else begin
        cnt_ms <= cnt_ms;
        cnt_1ms_done <= 1'b0;
    end
end

//1s计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rstn) begin
    if(sys_rstn == 1'b0)
        cnt_s <= 10'd0;
    else if((cnt_s == cnt_1s -1)&&(cnt_ms == cnt_1ms - 1)&&(cnt_us == cnt_1us - 1))
        cnt_s <= 10'd0;
    else if((cnt_ms == cnt_1ms - 1)&&(cnt_us == cnt_1us - 1))
        cnt_s <= cnt_s + 1'b1;
    else
        cnt_s <= cnt_s;
end

//pwm_flag
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rstn) begin
    if(sys_rstn == 1'b0)
        pwm_flag <= 1'b0;
    else if((cnt_s == cnt_1s -1)&&(cnt_ms == cnt_1ms - 1)&&(cnt_us == cnt_1us - 1))
        pwm_flag <= ~pwm_flag;
    else
        pwm_flag <= pwm_flag;
end

//输出pwm

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rstn) begin
    if(sys_rstn == 1'b0)
        pwm<= 1;
    else if(((cnt_ms <= cnt_s) && (pwm_flag ==1'b0)) ||((cnt_ms >= cnt_s)&&(pwm_flag ==1'b1)))
        pwm<= 1'b0;
    else
        pwm<= 1'b1;
end

ila_0 u_ila (
	.clk(sys_clk), 
	.probe0(pwm)
);

endmodule

设置ILA采样时钟为50M，如果我们想用观看完整波形的话，则需要2s/20ns=100000000个采样深度，显然这是不可能的。ILA抓取波形如下图所示：
在这里插入图片描述
由debug波形图可以看出，我们将采样深度设置到65536，也只能抓取完整波形的局部图，因为PWM相对于采样时钟而言太是低频信号，采样时钟在抓取PWM波形时，基本上都是抓取的重复点，因此想要正确的抓出完整的低频信号，则必须打开Capture Control 选项。

二、Capture Control 功能介绍

如图所示，打开ILA捕获模式：
在这里插入图片描述
在没打开捕获模式时，当触发条件满足时，波形窗口会在用户设置的触发位置上显示出：触发条件前后的波形数据，总长度为用户设置的触发深度。
在捕获模式下，用户可以设置特定的触发条件，当这些条件满足时，调试工具会捕获并记录指定的信号。这些条件可能包括特定的数据模式、信号的特定值或特定的时间间隔。一旦触发条件被满足，工具将开始捕获数据，并将其存储在内存或文件中以供后续分析。
因此，我们想要显示总长度为2s的波形数据，可以设定捕获条件，例如捕获条件为：每计数完1ms就捕获一个数据，这样我们就能显示出完整的波形图：
在这里插入图片描述
我们放大局部观看一下波形，可以看出每个周期的低电平都在增加，符合我们PWM的设计。

此时我们显现出了我们想要观侧的PWM波形，其采样时间可以任意调节，因此采用capture control可以采样到低频的信号。

三、Advanced Trigger功能以及TSM编写

在上面我们以及学会了ILA的高频和低频采样的使用，但是有些情况下依然不能满足我们的需求。例如：在高速串行系统中，我们想抓取第二帧的数据，其中第一帧和第二帧间隔时间不确定。我们只能设置触发帧头数据作为匹配条件，但是我们无法知道当前获取的是第几帧数据，因此就需要使用Advanced Trigger和编写触发状态机。

3.1 触发状态机的写法

触发状态机包含多达16种状态；
每种状态可包含1、2或3个条件分支；
在触发器状态机程序中最多可以使用4个16比特计数器；$counter0, $counter1 $,$ $counter2, $counter3
使用 $g o t o$ 实现状态跳转
控制计数器的命令有两条：increment_counter和reset_counter；
触发使用trigger语句，每个状态中最后一个分支必须是goto或trigger语句；
计数器的判断只有等于(==)和不等于(!=)；
在触发器状态机程序中最多可以使用4个flag来指示某些事件发生；$flag0, $flag1, $flag2, $flag3
在进行数值比较的时候，只有三种数据格式可以选择：b，h和u，即二进制，十六进制，和无符号数；

3.2 设置Advanced Trigger

在这里插入图片描述

3.3 编写触发状态机（TSM）

按照上图所示，打开ILA的高级触发选项，此时我们依然用上面的PWM测试程序，我们从程序可以知道，时钟频率50Mhz，时钟周期20ns，每计数20次为1us，每1us计数器计数1000次为1ms，每1ms计数器计数1000次为1s。此时我们想捕获第53ms里的第200us的位置，编写触发状态机程序（文件后缀为 .tsm）


#ILA TSM STATE
state tsm_state1:    //定义第一个状态机
    if(cnt_s == 10'u53)then //如果cnt_s为53，则跳转到状态二
        goto tsm_state2;
    else
        goto tsm_state1;
    endif

state tsm_state2:	//定义第二个状态机
    if(cnt_ms == 10'u200)then	//如果cnt_ms为200，则触发
        trigger;
    else
        goto tsm_state2;
    endif