使用NiosII代替SignalTap来监测FPGA内部数据

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SignalTap在FPGA设计时常常作为在线调试工具来使用，但大家在使用它的时候都有一种感觉——这东西太慢，消耗太大的资源。慢，并不是说它跑得慢，而是每次修改参数变量就得重新编译一次，而编译就让我们感觉没操作一次就要花相当多的时间。另外，当我们需要监测很多个信号量时，需要消耗相当多的内部存储资源。

所以每次只有到了实在没办法的时候才愿意去选择SignalTap来查内部信号量……有时候真的很嫌弃它。在接触NiosII之后，发现这个东西还挺适合用来做一些监测工作的。

方案是：通过PIO将需监测的信号量接入到内核里，然后通过内部程序控制监测机制等，最后通过JTAG回传到EDS调试窗口。（其实就是用printf函数打印出来监测结果）

这样的好处在于：首先，Nios内核消耗资源不多，可能就是你算法设计里的边边角角就够了；再者，FPGA内部存储资源是有限的，但“内部”引脚可以说是无穷无尽的，所以不需要担心信号量太多而处理不过来。

下面用个寄存器累加值监测的小例子来简单说明下做法。

自QuartusII到10.1版本以后，便使用Qsys取代了SOPC Build，在此为方便还没怎么用过Qsys的朋友，稍微详细得介绍下。

本人使用的是11.0版本，先建立个工程。然后可以在Tools里面找到Qsys选项，点击；

其中，初始便含有4个信号，两个时钟clk两个复位reset，这是和SOPC不一样的。然后可改变clk时钟频率参数，根据实验板上晶振或自己需求通过FPGA锁相环提供。

随后添加Nios内核，先不对其进行配置，待所有组件添加完后对其进行配置，按照默认参数添加后和SOPC中一样，需要进行重命名。再添加存储器，在这里我们使用FPGA嵌入式的目的是为了更方便地监测FPGA内部信号量，所以数据存储器和程序存储器我们都使用On-Chip Memory。大小可以不用很大，20k就够了，在本例中由于没有别的需要，选的大一些——64k。

 

 

随后添加SYSID和JTAG_UART，这两个都是默认设置。最后便是PIO了，类型和数量视需监测信号量而定，这里需要一个8bit的数据PIO和1bit的中断PIO，中断PIO则是用来监测信号，告诉内核什么时候该把数据打出来。（或者说，告诉内核什么时候是“有问题”的，需要我们来监测信号）

添加完各个组件后，就需要我们手动地来连接他们了。其实很简单，时钟和复位接在初始产生的clk和clk_reset上，对于On-Chip Memory的s1需要连如两组数据总线上，其它的都只需接入内核的data_master。接好以后就可以重新配置我们的内核了：

将两组memory都选为On-Chip Memory。内核选择NiosII/f，快速类型。

最后，锁定Memory地址后，自动分配地址：System->Assign Base Address。

 

Generate以后就可以在顶层原理图中添加我们的内核了。

 如下图，在顶层原理图设计时，将被监测模块的输出信号接入Nios的PIO口，这样FPGA部分的电路设计就完成了，之后只需要在EDS中设计相应的监测软件程序，再进行调试运行就可以实现我们对FPGA内部数据进行监测的功能了。

 

软件部分EDS的几个版本没什么太多的不一样，所以这部分如果是新接触的同学，建议参考特权同学的书，或者是黑金社区的NIOSII那些事儿，都是不错的资料~

所以我就不班门弄斧了，附上代码截图：

其实代码方面最主要的就是一个中断服务程序，这部分设计相对灵活，可以完全根据被测信号的特点来处理。这也是比SignalTap优越的地方。

我们再来看看这样的方法可不可行。

先看看我们的NIOS内核用了多少资源：

 

这还是包含了一个简单的计数模块，NIOS差不多也就2500个LE左右，这还是由于我们选用了NIOSII/f类型，如果想要更少一些可以选用经济型。看看速度：

快速型的速度可达150M，就算是经济型也能到50M以上，所以，我们用它来处理一些并不是特别高速的数据是完全可行的。

另外我们再看看整个过程。选用SignalTap的话，需要新建一个SignalTap，然后添加采样时钟、被测信号量等，编译、烧写。如果重新分析，又要重新走一遍这样的流程。而且，当信号量增加时，SignalTap所占用的资源和存储器会随之线性增加，编译速度也随之更慢……还有一点，由于它作为附加电路加入到原设计中，还会对原设计造成一定的影响。

而如果使用NIOS内核，它完全可以独立开来单独设计，当信号量增加，随之增加的也就是PIO接口——这相对于FPGA来说，也就是内部的数据线！可以说是无穷无尽的。存储器也没有相应增加，依旧是搭建时的那个组件。最重要的一点，当我们把被监测信号量接入内核以后，编译Quartus，烧写到FPGA中后，就只需要在EDS中设计相应的监测软件程序就行了，不再需要编译、烧写，可以完全像在线调试单片机那样，既简单又快捷。

 

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