Вступление

Привет, Хабр! Меня зовут Роман Вернин, я разработчик систем на кристалле в компании Аквариус. Вместе с коллегами мы разрабатываем микросхемы ASIC. В этой статье я хотел бы поделиться опытом, как можно использовать отладочное средство ПЛИС от фирмы Intel для тестирования, настройки или исследования устройств и стендовых систем.

Для кого эта статья

Несколько раз за свою профессиональную деятельность я сталкивался с ситуацией, когда было необходимо из приложения на персональном компьютере писать в регистры или читать из регистров ПЛИС для отладки какого-нибудь устройства, но прикрутить процессор для организации связи с ПК было либо невозможно, либо долго, плюс дополнительно вставал вопрос с самим приложением на ПК для обмена данными с ПЛИС — ведь программисты всегда в дефиците. Но оказывается для этих целей хорошо подходит инструмент отладки System Console для ПЛИС фирмы Intel, который можно использовать не только как средство отладки ПЛИС, но и как средство для отладки плат, приборов или целых тестовых стендов. Далее я расскажу о примерах из своей практики, если у Вас возникали схожие ситуации, то System Console это то, что Вам нужно.

1. Впервые я применил данное отладочное средство во время «bring up» измерительного модуля на шине PXI. После первичной проверки были обнаружены ошибки в разводке шины PXI при подключении к DSP, связь с ПК через шину была потеряна (Рисунок 1). Чтобы не терять время до выхода второй ревизии платы, необходимо было проверить аналоговую часть, включая сбор данных с АЦП. Для этого отлично подошел System Console, оставив в прошивке штатные регистры, доступ к ним от DSP заменили на обращения из Quartus через System Console по JTAG программатору.

2. Необходимо было произвести настройку и автономное тестирование модулятора ВЧ передатчика (Рисунок 2), не дожидаясь, когда программисты обновят ПО для тестового стенда. Доступ к регистрам через System Console успешно помог решить эту проблему. При этом процесс редактирования скриптов чтения/записи удобен и прост, что позволило их использовать схемотехнику (Иван, привет, если читаешь это) с минимальным опытом работы с ПЛИС, не привлекая в дальнейшем разработчика прошивки.

3. Для тестового стенда нового ВЧ приемника понадобился аттенюатор с программируемыми значениями снижения мощности. Из наличия была только плата содержащая аттенюатор с spi интерфейсом и ПЛИС (Рисунок 3). С помощью System Console была написана программа для загрузки параметров аттенюатора.

4. В компании Аквариус коллеги при разработке контроллера i2c столкнулись c необходимостью воспроизведения различных помех на шине данного интерфейса. На руках был простенький отладочный набор с ПЛИС Cyclone IV (Рисунок 4). Я посоветовал использовать System Console для задания параметров помех из Quartus. Это позволило решить задачу в короткие сроки.

После описания примеров использования самое время перейти к созданию тестового проекта ПЛИС с использованием System Console.

Описание тестового проекта

В качестве примера рассмотрим проект управления светодиодами для отладочной платы DE0-Nano на базе ПЛИС Intel семейства Cyclone IV. Порты проекта описаны в таблице.

Создание проекта

Создание проекта буду приводить на примере Quartus Prime Lite 22.1, для других версий процесс аналогичен. Маршрут рассмотрим достаточно подробно, чтобы для новичков в работе с ПЛИС было меньше белых пятен.

В начале маршрута запускаем Project Wizard : File → New Project Wizard . Окно создания проекта на рисунке (Рисунок 5).

Далее выбираем папку, где будет находиться проект, имя проекта и имя модуля верхнего уровня (должно совпадать с именем модуля в verilog файле) (Рисунок 6)

Затем выбираем Empty Project (Рисунок 7)

После этого добавляем в проект файлы описания цифровых схем (*.sv) и файлы временных ограничений (*.sdc) (Рисунок 8).

Далее выбираем модель ПЛИС и нажимаем Finish (Рисунок 9).

Теперь нужно открыть Platform Designer (Рисунок 10) и добавить необходимые компоненты — Jtag to Avalon Master Bridge (используется в system console для подключения к ПЛИС) (Рисунок 11) и PIO (добавляет в систему 8 выводов для управления светодиодами) (Рисунок 12), настройки данных компонентов оставляем без изменений.

Далее соединяем компоненты как показано на рисунке (Рисунок 13). Затем двойным щелчком мыши экспортируем Reset Input (необходим для подачи внешнего сброса) и external connection в pio_0 (для подключения выводов к светодиодам). После этого необходимо сохранить проект в Platform Designer и сгенерировать файлы проекта, нажав Generate, при этом указав папку для сгенерированных файлов, рекомендую выделить отдельную папку в директории проекта (Рисунок 14).

Для добавления системы, сгенерированной в Platform Designer, в файл верхнего уровня проекта нужно открыть файл jtag_to_pio_inst.v и скопировать оттуда данные для вставки в файл модуля верхнего уровня (Рисунок 15).

В завершении необходимо скомпилировать прошивку и загрузить её в ПЛИС.

Подключение к ПЛИС с помощью System Console

Для вызова приложения System Console следует выбрать в главном окне Quartus: Tools → System Debugging Tools → System Console (Рисунок 16). Если у кого то, как у меня в Quartus Prime Lite 22.1, не запускается System Console, то необходимо скопировать файлы msvcp<xxx>.dll и msvcr<xxx>.dll (где <xxx> номер версии) из директории $QUARTUS_ROOTDIR/bin64/jre64/bin/ в директорию $QUARTUS_ROOTDIR/bin64/ .

После успешного запуска окна System Console можно писать/читать в регистровое пространство ПЛИС созданное Platform Designer. В нашем случае, в системе один регистр PIO с базовым адресом 0х0000_0000. Управление осуществляется через скрипты tcl. Рассмотрим из чего состоит простейший скрипт записи.

Сначала необходимо выполнить процедуры поиска устройства JTAG и открытия связи с ним:

#Receive FPGA address
get_service_paths master

#Create FPGA address allias
set my_master [lindex [get_service_paths master] 0]
set c_path [claim_service master $my_master ""]

#Open a channel for performing operations with an internal interface
open_service master $c_path

Далее пишем значение 0х01 в регистр с адресом 0х0000_0000

#Create addres allias
set LED 0x00000000

#The first LED lights up to show successful channel opening
master_write_8 $c_path $LED 0x01

Для запуска скрипта на исполнение есть два способа:

1. Добавить скрипт в папку по умолчанию для приложения System Console по следующему адресу:

Windows: <drive>:\Users\<username>\system_console\scripts\

Linux: <$HOME > system_console/scripts

После этого он отобразится в графическом интерфейсе окна System Console, затем нажать правой кнопкой мыши на файл скрипта и щелкнуть левой кнопкой на Execute script (Рисунок 17).

2. Запустить скрипт из своей директории, для этого в консольном окне приложения System Console выполнить команды (Рисунок 18):

 cd <my_project_dir>
source <my_script>.tcl

После исполнения скрипта на ножке pio_o[0] должен установиться высокий уровень (Рисунок19).

Заключение

Полностью проект с примером из статьи находится в моем репозитории на github. Подробную информацию о работе с System Console и её командах можно найти в документе Intel® Quartus® Prime Standard Edition User Guide: Debug Tools . Стоит отметить, что у других производителей ПЛИС имеются аналогичные средства отладки, но это уже совсем другая история ...