03使用ILA IP、直接添加信号法和VIO进行调试
软件版本：vitis2021.1(vivado2021.1)
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用AMD-XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA
1 概述
在开发工程中，我们需要对一些信号进行debug调试，如果对于CPU的软件开发一般可以设置断点，但是对于FPGA来说，FPGA是无法设置断电的，但是FPGA可以通过内嵌的逻辑分析仪(ILA)IP以及虚拟(VIO)IO IP实现在线调试。
本教程内容是我们快速入口课程，目的是尽量通过一个demo教大家熟悉我们软件的一个基础的操作，所以我们本节课基于我们前面已经完成的demo内容，进一步扩展一些简单的功能，然后学习使用我们的ILA以及VIO来对我们的代码进行调试。
2通过ILA IP核观察信号
ILA(Integrated Logic Analyzer)集成逻辑分析器:即Vivado的在线逻辑分析仪，其借用了传统逻辑分析仪的理念以及大部分的功能，并利用FPGA 中的逻辑资源，将这些功能植入到FPGA 的设计当中。ILA是用IP核的形式实现的。
在线逻辑分析仪通过一个或多个探针（Probe）来采集希望观察的信号，然后通过片内的JTAG 硬核组件，来将捕获到的数据传送给下载器，进而上传到Vivado IDE 以供用户查看。Vivado IDE 也能够按照上述数据路径，反向地向FPGA 中的在线逻辑分析仪传送一些控制信号。
2.1添加ILA IP核
Step1:打开IP Catalog，也就是IP库
Step2:输入关键词ila，双击打开ILA IP核
Step3:这边我们简单的捕捉一下LED灯的变化，所以我们使用一个探针，采样深度选择2048，并不要使用Capture模式。Capture模式如果选择了，我们可以选择一个条件信号，仅条件信号满足设置要求时，才会进行采样或者触发操作，我们后续课程中会使用到这个模式，这边入门阶段不要求掌握。
Step4:点击Probe_Ports，我们在这个页面下选择探针的位宽，我们本次打算捕捉2个LED灯信号，所以设置位宽为2。然后点击OK，IP核配置完成。
Step5:例化PLL IP核，将IP核添加进工程。
在工程中添加如下代码，点击保存。这边我们要注意，ILA IP核需要添加一个时钟，该时钟信号应该为观察信号的同步时钟。
ila_0 ila_led (
.clk(clk0), // input wire clk
.probe0(O_up_led) // input wire [1:0] probe0
);
到这里，我们的ILA IP核（在线逻辑分析仪）添加完成。
3学习使用VIO IP
Vivado中的VIO（Virtual Input/Output） IP核是一种用于调试和测试FPGA设计的IP核。它允许设计者通过使用JTAG接口读取和写入FPGA内部的寄存器，从而检查设计的运行状态并修改其行为。VIO IP核提供了一个简单易用的接口，使得用户可以轻松地与FPGA内部寄存器进行交互。通过使用VIO IP核，用户可以实时监视和修改设计中的信号，以便进行调试和验证。此外，VIO IP核还可以与其他IP核和设计组件配合使用，从而帮助设计者更好地理解和调试整个系统。
3.1添加VIO IP核
Step1:打开IP Catalog，也就是我们的IP库
Step2:输入关键词vio，即可找到我们需要使用的VIO IP核，双击对IP核进行配置。
Step3:首先是对VIO的虚拟输入/输出引脚的个数的配置。
Input Probe Count：VIO输入探头个数，即输入到VIO，需要查看实时数据值的信号个数；
Output Probe Count：VIO输出探头个数，即输出给其他模块的信号个数；
Enable Input Probe Activity Detectors：输入探头变化检测。若勾选，则在后续调试过程中，某个输入信号发生变化时，则会出现数据变化的提示；若不勾选，则无输入数据变化提示（注意，这里输入数据是指输入到VIO模块中的数据）；
另外，在这里有一点值得注意：输入/输出探头的最大个数为256，而在该界面下，最多可以生成64个输入/输出探头的VIO IP核，如果要生成大于64的VIO IP核，则需要通过Tcl脚本进行生成。
Step4:点击PROBE_IN_Ports，对输入探头的位宽进行设置，即我们需要观察的信号的位宽。我们需要观察的信号为2路LED灯的变化，所以位宽我们选择2。
Step5:点击PROBE_OUT_Ports，对输出探头的位宽进行设置，即输出到其他模块，用于计算或者控制的信号的位宽。我们这边打算输出的控制信号是控制LED转换的复位信号，所以需要将LED计数以及LED转换模块的复位信号修改成"restn"，由于我们复位低电平有效，所以默认我们默认设置为0x1，我们可以通过手动修改这个值为0，来触发复位。
对VIO IP核配置完成后，点击OK，生成IP核。
Step6:例化PLL IP核，将IP核添加进工程。
添加后我们工程代码如下，点击保存，到这里，我们的VIO IP核添加完成。
使用"restn"可以操控VIO来进行复位操作，但是因为LED寄存器无法正常初始化，所以会影响仿真的正常状态，如果想正常使用仿真，还需要将"restn"改回"pll_lock"
`timescale 1ns / 1ps
module pll_test(
input I_sysclk_p,//系统时钟输入
output [1:0]O_up_led//LED输出
);
wire clk0;
wire pll_lock;
reg [25:0] cnt;
//例化PLL模块
mypll mypll_u(
.reset(1'b0), //PLL复位
.clk_out1(clk0), //PLL输出时钟
.locked(pll_lock), //PLL锁住
.clk_in1(I_sysclk_p) //PLL输入时钟
);
assign O_up_led = {cnt[25:24]};//输出计数器的高位用于驱动LED
//计数器
always @ (posedge clk0 or negedge restn)begin
if(restn==1'b0)
cnt <= 26'd0;
else
cnt <= cnt + 1'b1; //cnt power on initial value is all 1
end
ila_0 ila_led (
.clk(clk0), // input wire clk
.probe0(O_up_led) // input wire [3:0] probe0
);
//VIO IP例化
vio_0 vio_led (
.clk(clk0), // input wire clk
.probe_in0(O_up_led), // input wire [1 : 0] probe_in0
.probe_out0(restn) // output wire [0 : 0] probe_out0
);
endmodule
4直接添加信号法
我们除了添加ILA IP去观察信号，我们还可以直接添加观察信号。下面我们就介绍一下这种方式。
Step1:打开RTL原理图，如果你的Schematic选项是灰色的，说明你没有综合，你需要先综合，再打开RTL原理图。
Step2:完成后，点击展开Nets,我们可以看到很多信号，有的信号上面有一个Debug的标志，是因为我们之前已经设置过ILA IP ，综合后认为该信号已经Debug，而且右键也无法重复设置Mark Debug
Step3:找到我们需要添加的信号寄存器信号，右键，Maek Debug。
Step4:设置完成后，寄存器信号前多了一个Debug标志，表示该信号设置成功，点击保存。
Step5:提示我们有更新，点击OK。
Step6:由于这种Debug方式是将Debug信息写入XDC文件的方式，所以提示我们需要更新XDC文件，我们可以选择覆盖现有的XDC文件，该选项并不会删除我们现有的XDC文件约束，而是将Debug信息添加在XDC约束后面，所以我们选择Overwrite。(如果没有该选项，说明你之前已经设置了默认添加的xdc文件)
Step7:点击Set Up Debug，对我们刚才添加的BUG信号进行采样配置。
Step8:点击Next。
Step9:出现我们添加的信号，我们保持默认，点击Next。
Step10:将采样深度设置为2048，其他保持默认，点击Next。
Step11:点击Finish，配置结束。
Step12:等待配置完成后，点击xdc文件可以看到我们信号的配置信息。
到此我们直接添加信号法完成。
5编译测试
保存，点击开始编译，点击OK，开始编译，等待编译完成。
6下载程序
Step1:给开发板通电，并且连接下载器
Step2:单击OpenTarget 然后单击Auto Connect
Step3:连接成功后如下图所示：
Step4:单击Program Device
Step5:单击选择上图的 FPGA，再单击Program Device，并且选择bit文件
Step6:下载过程
6.1 ILA 使用
点击RUN就能观察到信号，但是我们的LED变换非常慢，加上我们设置的ILA深度比较小，所以我们仅仅只能观察到LED的某个时间的状态。
但是本教程主要是教会大家如何使用ILA，所以大家学会如何操作即可。
6.2 VIO 使用
Step1：双击VIO模块，添加进入VIO调试
Step2:选择VIO模块窗口的名称，然后点击OK即可，这边我们保持默认
Step3：添加信号进入观察窗口
Step4:我们可以看到，LED信号随着时间不断的变化，同时我们的复位信号可以手动调节
Step5:手动调节restn信号为0，进行复位，观察到开发板所有的LED全部熄灭，LED信号全部为0。
Step5:手动调节restn信号为1，完成复位，开发板上LED灯闪烁恢复正常。
6.3 手动添加信号法使用
我们观察到我们手动添加的ila也正常产生。
Step1:设置触发条件为0时触发。
Step2:点击RUN信号触发。
7本章小结
本章节主要学习了两种方法添加ILA以及ILA IP、VIO IP等调试工具的使用方法。
