Vivado中ILA（集成逻辑分析仪）的使用

一、写在前面

  在FPGA设计上板过程中，如果出现问题难以定位具体问题的位置和原因，要观察一些信号的波形，可以使用ILA来捕获关键信号，以便分析问题并快速定位其原因。ILA（Integrated Logic Analyzer），集成逻辑分析仪，与Quqartus 中的 SignalTap II 作用类似。

二、ILA(Integrated Logic Analyzer)的使用

2.1 ILA查找

  在IP Catalog中搜索ILA，可以找到该IP核，双击对该IP核进行配置。

2.2 ILA配置

  接下来可以对ILA进行配置，界面如下。

  这里，我们仅对Native接口进行讲解，关于AXI接口的ILA使用，在这里不进行过多讲解。

2.2.1 General Options

• Component Name：IP核的名称，可根据需求进行设置；
• Native/AXI：接口类型
• Number of Probes：探头的数量，即需要查看的信号个数
• Sample Data Depth：样本数据深度，即采样的时钟个数，也可以认为显示在窗口中的时钟数量，最小为1024=$2^{10}$，最大为131072=$2^{17}$。假如设置该值为024，则在窗口中可以观察到1024个时钟周期的数据；
• Same Number of Comparators for All Probe Ports：是否为所有探头设置相同数量的比较器；
• Number of Comparators：该选项仅在勾选Same Number of Comparators for All Probe Ports时才会有，表示为每个探头设置的比较器数量；
• Trigger Out Port：触发输出端口，可用于 ILA 模块的级联或一些高级功能；
• Trigger In Port：触发输入端口，可用于手工设置添加触发信号或进行 ILA 模块的级联或一些高级功能；
• Input Pipe Stages：需观察信号打拍次数，可设置数值 0~6，一般情况下，采样时钟和探测信号是一个时钟域下，这里可以默认设置为 0 即可；
• Capture Control：勾选后可在调试的设置窗口中进行对Capture mode的设置，如果不勾选后面有关 Capture mode 就不可修改；
• Advanced Trigger：勾选后可在调试的设置窗口进行对 Trigger mode 的设置，如果不勾选后面有关 Trigger mode 就不可修改；

  在这里有一个点值得关注：上述中比较器是什么？
  在使用探头观察信号的值时，我们可以设置需要观察的信号在什么时候在窗口中显示波形？即什么是时候抓取信号的波形？比如需要观察一个8bit位宽的变量data，在其值等于8’hbb时，在窗口中显示其波形，则只需要一个比较器，当data==8’hbb为真时，抓取data波形，并在波形窗口中显示。那么如果需要使其值在区间8‘h11到8’hbb区间内时，在窗口中显示其波形，则需要设置两个比较器。

2.2.2 Probe Ports

  在Probe Ports界面，可以对每个探头进行详细设置，可以设置每个探头的探头位宽、比较器数量、探头类型，如下图所示。

• Probe Width：探头的宽度，即需要观察的信号的位宽；
• Number of Comparators：比较器数量。如果在前面勾选了Same Number of Comparators for All Probe Ports，为所有探头设置了相同的比较器数量，那么在这里则不可设置；如果在前面没有为所有探头设置相同的比较器数量，则在这里就可以为每个探头设置不同的比较器数量。
• Probe Trigger or Data：探头作为触发条件还是数据；（DATA AND TRIGGER：既可作为触发条件，也可作为数据；DATA：仅作为数据；TRIGGER：仅作为触发条件；）

三、ILA调用

  在配置好ILA IP核后，在IP Sources中可以看到已经生成的IP核，在Instantiation Template可以看到IP核例化模板，如下图所示。

  打开lia_0.veo，可以看到IP核的例化模板，直接复制到需要观察信号的RTL代码中，修改例化模块的名称并对需要观察的信号进行连接。

四、ILA联调

  在这里，以串口回环为例，观察PC发送的串行数据rxd和FPGA开发板接收到的8bit数据。将生成比特流文件后将.bit文件和.ltx文件写入FPGA开发板。

  然后在调试窗口中，可以看到4个窗口：信号窗口、波形窗口、状态设置窗口和触发条件设置窗口。

4.1 信号窗口

  在信号窗口中可以看到之前设置为DATA的探头信号，可以对其进行删减。

4.2 波形窗口

  在波形窗口中，可以观察捕获的信号波形。

4.3 状态窗口

  在状态窗口中，可以看到当前的状态。

4.4 设置窗口

  在设置窗口中，可以对波形窗口显示的内容进行设置。

• Number of windows：显示窗口个数，默认为 1；
• Window data depth：窗口显示数据深度，最大可以设置为Sample Data Depth Sample Data Depth为IP核配置时配置的数据深度。（这里需要注意的是：Sample Data Depth = Number of windows X Window data depth）
• Trigger position in window：设置触发位置在窗口波形中显示的位置，比如前面设置的样本数据深度Sample Data Depth为131072，那么想要设置触发位置位于波形窗口的中间，则设置为131072/2=65536；
• Refresh rate：连续触发模式下，相邻触发之间的刷新时间；

4.5 触发条件设置窗口

  在触发条件设置窗口中，可以设置触发的条件，假如要观察8bit信号data大于8’h11且小于8’hBB，则这里设置2个比较器，一个比较器设置在Data大于8’h11时触发，输出高电平，另外一个比较器设置在Data小于8’hBB时触发，输出高电平。

  同时，可以设置这个几个触发条件之间的关系，可以设置为：与（AND）、或（OR）、与非（NAND）、或非（NOR）。在这里，我们设置为与（AND）。

  在这里有一点需要注意：对于单个观察信号，所使用的比较器个数不可以超过在ILA IP核配置时所设置的比较器个数（Number of Comparators），如果使用的个数大于所设置的比较器个数，则在触发条件设置窗口中可以看到提示Out of comparators，表示在这里使用的比较器个数超过我们前面设置的比较器个数。如果运行调试，则会出现报错！！！

4.6 联合调试

  在设置好以上的选项后，运行调试，查看状态窗口中，可以看到当前状态为等待触发状态。

  然后在串口助手中，发送数据8’hDD，再观察ILA调试窗口中波形，由于8’hDD不在区间[ 8’h11 , 8’hDD ]内，所以并未触发条件，波形窗口中也就无任何波形。

  然后在串口助手中，再发送数据8’hAA，再观察ILA调试窗口中波形，由于8’hAA在区间[ 8’h11 , 8’hDD ]内，所以并触发了捕获条件，波形窗口中也可以看到接收到Data为8’hAA，触发时位于波形窗口的中间。

  在这里可以看到，接收到8’hAA的上一个数据为8’hDD，同时可以看到我们接收到的串行数据为0_01010101_1，最高位0为起始位，最低位1为停止位，中间的8bit数据01010101为接收到的数据。由于串口发送是先发送数据的LSB，最后发送数据的MSB，所以实际上发送端发送的数据为10101010，即AA，与我们接收端接收到的数据data一致。
  

五、写在最后

  在本文中，学习了Vivado中集成逻辑分析仪（Integrated Logic Analyzer，ILA）的使用，结合串口回环程序进行波形捕获实验，观察串行数据传输是否正确，这里只是对ILA的使用进行简单的演示，在具体设计中应根据项目需求进行配置。
  好了，上面就是关于Vivado中ILA IP核的一些学习笔记，如果有疑义的地方欢迎评论区友好探讨学习！！！！！