彻底掌握Quartus——Signaltap篇

Signaltap是嵌入式逻辑分析仪，说到嵌入式，很容易让人想起ARM，其实Signaltap跟ARM没有半毛钱关系。这里的嵌入是嵌到FPGA的内部。

如果你用过Signaltap，就会发现，每次都要综合整个工程，再下载代码，然后才可以使用Signaltap，这说明了Signaltap是由一些逻辑电路组成，而不是仿真。

请不要把Signaltap和Modelsim混为一谈（如果是一样的话，就不用起两个名字了），就算两个软件的界面上的波形很像。

以下是Signaltap界面上的波形（代表实际的波形）。



以下是Modelsim界面上的波形（代表仿真的波形）。



二、基本操作。

首先，要确保你的工程能成功综合，并且所消耗的资源不能为0。



然后在Quartus界面下，点开Tools菜单，打开Signaltap。



在Signaltap界面下，确保Jtag和FPGA开发板能用。



设置主时钟，点击红色箭头所指的地方。



在Filter下，一般是选择Post-Compliation（综合后）。



点击List，可以看到节点名。



可以看到由原理图或者HDL文件的节点名了，这里选择clk50M。



这个clk50M不是随便选的，是原理图上的全局时钟，这里用晶振的时钟做为Signaltap的采样时钟，你也可以选PLL倍频后的时钟，这都是看具体情况而定。



选择采样深度，也就是采多少个点，这也是看具体情况而定，深度越大，需要的资源越多，这里选择128。



确保已选中Setup标签（红色箭头所指，选中为白色，未选中为灰色），然后双击红圈所示区域。



Filter同样选择综合后，同样点List列出所有节点。





选择你想要观察的节点，这里选的是dig和segment。



dig和segment，同样在原理图（或者HDL文件）中有出现过的，是有效的节点名。



成功添加节点的话，会在Setup和Data标签下，出现下图所示。



好了，现在你可以在Quartus界面下，点Save all以保存所有文件，然后综合，再到Signaltap界面下，选择sof文件，下载（红色箭头所示的图标）。



成功下载sof的话，可以看到Ready to acquire。而Instance Manager右边有四个图标，分别代表单次运行，连续运行，停止和读数据。



点连续运行，就能看到Signaltap在采集数据了（数据在不断地跳，难以观察）。



如果你不停止掉Signaltap，是不能综合代码的。

因为使用Signaltap，所以会额外消耗更多的资源，如果不想使用Signaltap的话，可以在Assignments->Settings设置一下，如下图所示。



只要去掉Enable SignalTap II Logic Analyzer前面的勾就可以了，这样，综合出来的电路就不带Signaltap了（资源会减少）。



三、高级操作。

1、条件触发。

先停止Signaltap，然后在Setup标签下，勾选条件触发下面的Basic AND，然后在下面输入想要的触发条件，这里填的是EF，意思是当dig（8bit)为十六进制的EF时，就会触发Signaltap采样，而其它情况不触发。其中Basic AND是所有触发条件相与之后为真，就触发采样，当然也可以选择Basic OR（相或为真就触发采样）和Advanced。



如果不满足触发条件，Signaltap就一直显示Waiting for trigger。



一般用上面的方法设置条件触发就够用了，如果有特殊要求，就用Signal Configuration下的条件触发，会有更强大的功能。



2、文件输出。

在File->Export，可以把Signaltap采样到的数据，保存为其它格式的文件，其中有csv,tbl,bmp,jpg,vcd，这五种格式可选。其中csv格式适合配合MATLAB使用。



3、数据格式。

在需要观察的节点上，右击。



然后在Bus Display Format下，可以选择不同的数据格式，以方便观察。其中unsigned/signed line chart是用来观察连续信号的波形，如DDS下的sin/cos，或者是FSK，QAM等。



4、设置时间单位。

在红色箭头所指的地方，右击一下，选择Time Units，可以设置时间单位。



我这里的采样时钟是50M，所以，周期是20ns。



这样，Signaltap每采一个数据，所需要的周期就是20ns。为什么这个时间单位需要人手设定？就是因为Signaltap不带频率计的功能（下面在Signaltap内部原理有讲述）。



5、MATLAB与Signaltap联合使用。

首先，要把signaltap运行起来，采集到数据。

然后，在MATLAB下，添加quartus的bin文件的路径（32位的添加bin，64位的添加bin64），然后调用alt_signaltap_run函数就可以了，但是我这里却找不到该函数，实际是有这个dll的，路径也添加正确，该方法未果。



四、Signaltap内部原理。



上图是signaltap的内部结构图，它是利用JTAG边界扫描的原理来读取FPGA内部节点的值，然后送到buffer（缓冲器），再由JTAG把数据送到quartus下的signaltap软件。

整个过程，都只有读取数据的作用，至于数据的频率（如DDS下的sin信号的频率）是无法直接知道的，只能让设计者自己计算得出。

五、其它问题。

1、为什么在clk50M下面，会产生clk50M~clkctrl这个信号？



在工艺映射表（适配后），可以查看到这个信号。



其实clk50M~clkctrl就是clk50M的buffer而已，用于提高扇出系数，这里fan-out＝274。



2、为什么加了Signaltap之后，原来能用的代码，变得不能用？

因为Signaltap本身需要占用一些逻辑资源，而这些逻辑资源影响了综合器的布局布线，所以有些时候加了Signaltap，时序反而乱了。不过，也有加了Signaltap时序变好的情况。

3、既然Signaltap采出来的信号是实际的波形，但是某些时候却跟实际的不相符？

就算是用Signaltap采出来的波形，也是需要遵循采样定理的，如果不满足采样定理，那么采出来的波形不能代表实际的波形。

而且Signaltap里面的触发器本身有滤波的作用，所以有些很小的毛刺，采不到，但是用示波器可以看出来。

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