【技巧分享】FPGA定位错误的方法

明德扬小冉

FPGA定位错误的方法

     FPGA设计过程中，任何人都难免写出错误的代码。代码出错不可怕，也非常正常，关键是要把错误找出来。对于工具问题、IP核使用问题，在论坛、QQ群里求助是一个非常好的方法。但对于设计问题，估计求助就非常困难了，因为没人凭着现象就知道是什么原因导致出现了错误，大神也是要去定位。求人不如求己，自己掌握定位方法自己定位。 FPGA说白了，核心就两种能力：设计能力和定位问题能力，理论上掌握了这两个能力，什么都能设计出来。

     

      检查思维不可取。当工程出现错误的时候，在寻找错误代码环节，大部分人会反复一行一行检查代码，如果是小实验，只有一百行代码还好；但是如果是完整的工程，这样的做法无异于大海捞针，往往耗费了巨大时间和精力但收效甚微。人是有思维惯性的，检查的时候很容易就把错误给漏过去。

        还存在一小部分工程师，在面对错误的时候抱有极大的消极态度，稍微定位一下，就认定是遇到了非常奇怪的现象，或者是软件有BUG。从内心不愿意认为是自己有问题，认为自己按照思路做的，不可能出错。

        

      可以很明确地说，出现奇怪现象，出现了错误，99%是自己的粗心大意，越是奇怪，越表明有多粗心，那么定位时就需要越仔细。有些同学对此不是很认可，但是根据多年的培训经验，不论是大小项目，很多同学最后找出的问题有芯片信号写错数完，有引脚配置错误的，甚至有的只是编写程序不习惯对齐，看漏、些少end的。在定位出这些错误之前，每一位同学都是不敢相信是这种小地方影响全局的。但是事实就是这样，这些由于粗心大意而产生的错误，并不是错误寻找环节可以被思考到的，所以需要大家可以更加细心的定位错误。

        

      希望这一小部分心态不好的工程师，可以调整心态，遇到问题先不要着急说是外部原因，要认定绝大情况都是自己代码写错的，认真寻找bug。

      有了好的心态才可以快速定位错误，这是一种科学的方法，方法很简单，就像破案一样需要一个个线索顺藤摸瓜的寻找。但是希望大家学习此方法前，一定调整好自己的心态，不要没有耐心半途而废，这样是无法得到想要的结果的。下面我们就一起来学习明德扬的错误定位方法。

一、明德扬错误定位方法解析

        在讲错误定位方法之前，先来思考一个问题：我们是如何确定代码中存在错误的？想必大家都知道答案，当输出结果与设计要求不一样的时候，说明代码中存在错误。思考了这个问题，我们可以得出错误定位的一个思路要点——从输出开始检查。（从错误现象中找出错误的信号）

VGA没有显示图像 VS 行场同步信号错误

        串口调试助手没有收到数据  VS 代码的串送发送信号uart_tx有没有变低

        串口收到的数据乱序  VS din和din_vld是不是乱序

        这也就引出了第二个问题：从输出开始检查什么？当然是查找产生这个输出结果的原因。可以总结出错误定位的第二个思路要点——查这个输出的赋值语句是怎么写的。

        

    总结了思路，我们就需要落实，要从赋值语句中查出错误，明德扬提出了一套定位错误的方法：

        1.  确定错误时刻：找到信号第一个错误时刻。关于错误时刻，一定要精确到某一时钟的上升沿，这是寻找错误的开始，如果连时刻都定位不准确，那么后续的一切都是无用功，所以找出错误时刻一定要找准时刻点；并且记住一定要寻找第一个错误时刻，只有将最开始的错误改正，后续的很多连锁错误可能就正确了。

        2.  找到代码：找到产生信号的代码。

        3.  排列信号：根据代码，将相关信号集中到一起，并按顺序排好（MODELSIM或者SIGNALTAP）。这里强调一下，一定要将相关信号按顺序排列好，如前面所说的，定位问题考验的是细心，越是奇怪的问题越是要细心，按顺序排列好，有助于逐个核对检查。

            当你找不到问题所在时，试试严格把信号排列好。世界上没有笨人只有懒人，这个地方不犯懒，认认真真排列好一个个来，比耍小聪明挑着检验可以更加快速方便的找出错误点。

        4.  代入信号数据：将这一错误时刻的信号数据代入代码以确定错误原因。关于这里代入数据检验，希望大家一定要认真细心，我们既然知道了这里极有可能存在错误，还想当然的按照内心预想计算，是无法得到结果的。错误的出现大多是一时的粗心与手误，那么检验的时候一定要按照代码的要求来，才可以发现错误的地方。

        5.三选一判断：a,此时的条件信号有错误；2.本ALWAYS代码有错误；3.本来的预想有错误。如果是条件有错误，按2~5的步骤重新定位错误的条件信号；如果是本ALWAYS代码，那就要修改代码；如果是原来的预想有错误，那就说明波形是正确的，那就修改原来的想法。

做三选一判断，逼着自己一定要做出一个选择，这是让自己认真仔细思考问题。思考此时此刻输入信号是不是正常，思考自己的设计有没有缺陷，或者是自己想法对不对。

        见过太多的例子，遇到这种困难问题时，需要思考，很多人就会打退堂鼓，就会放过，就会思维跟踪着去看其他信号，思维跳来跳去，但就是不解决问题。

        出理论上来说，本方法可以定位所有的问题，不管是测试文件问题、代码问题、模块结构问题、语法理解错误问题、甚至是您没学过的语法，使用本方法都能定位出来。所以希望大家遇到问题可以按照此方法静下心来定位错误，多进行几次尝试就会发现此方法的方便之处。

                （注：每次修正错误后，需要重新编译执行以检查修改后的结果）

二、错误定位案例

        下面通过对一个案例的详解，让大家能进一步弄清楚具体的方法：

案例

modelsim.v

        设计思路：本设计使用了一个计数器，用来计算250个时钟周期，当达到250个时钟时，就让dout为1。也就是说cnt是0~249循环变化的，当cnt==249时，dout等于1。

test_modelsim.v

        测试文件思路：测试文件很简单，首先例化了设计文件，然后产生了时钟和复位信号。

        图一显示的结果没有满足250时钟周期输出1个周期高电平脉冲的功能要求，如何定位错误？

(一)  定位错误信号dout

        1.  确定错误时刻：找到信号第一个错误时刻（精确到某一时钟的上升沿）

图一modelsim.v仿真运行结果

        本设计是每250个时钟周期输出1个高电平脉冲。时钟是50M，周期是20ns，则预期是复位后第5000ns的时候dout输出一个高电平脉冲，但此时dout仍然为0。牢牢记住这个错误时刻。注意“5000ns”这个时刻，要精确到某时钟上升沿。

        2. 找到代码：找到产生信号的代码

        本信号dout有错，所以要找这个信号的代码。

        注意MOELSIM波形显示的信号，其全名为test_modelsim/dout,它与test_modelsim/uut/dout是不同的，不要认为相同，哪个信号错就看哪个（常见粗心点）。

        test_modelsim/dout产生的代码如下。从第11行可知，test_modelsim/dout产生自test_modelsim/uut/dout。

        3.  排列信号：根据代码，将相关信号集中到一起，并按顺序排好

        产生该信号的代码是.dout  (dout  )   ，也就是uut.dout一个信号给了dout。

        所以拉信号uut.dout和dout，并按顺序排列好。

        4.  代入数据：将这一错误时刻的数据代入代码以确定错误原因。

        在5000ns的时候，可以看到uut.dout的值为0.

        5.  三选一判断：a,此时的条件信号有错误；2.本ALWAYS代码有错误；3.本来的预想有错误。

        此时uut.dout的值为0，导致dout的值为0，预期为1.很明显，dout的错误来自于uut.dout。所以转而定位uut.dout。

(二)  定位错误信号uut.dout

        

     接下来重复定位步骤来定位错误信号uut.dout。

        

     1.确定错误时刻

        继续定位test_modelsim/uut/dout，但要牢记之前的错误时刻，也就是复位后的5000ns，在此时刻，预期test_modelsim/uut/dout输出为1，但实际为0。

      2.找到代码

        找到test_modelsim/uut/dout的代码，产生此信号的代码如下：

        3. 排列信号

        从第31~38行代码可以看出，产生test_modelsim/uut/dout的相关信号包括：clk，rst_n，cnt，都拉到波形窗口来看。

        按照时钟、复位、条件信号和输出信号的顺序排列好。

          注意：a.不要漏掉信号，一定要齐全，特别是时钟和复位；b.一定要按顺序排列好，越细心越好。（常见粗心点！！！最常用见！）

        

     4. 代入数据

        仍然要牢记之前我们认定的错误时刻：复位后约5000ns时，预期dout为1，实质为0。见图四。

图四250时钟周期上升沿时刻的uut波形

        我们光标放到此时刻。

        此时，rst_n为1，cnt==121，dout==1(上升沿前)，并且查询到CNT_N==121。将此值代入代码，如下图。

        注意：一个数一个数代进入，然后看执行了哪一行代码。不要跳过看条件，例如不看32行的，直接看35行（常见粗心点）。

        从上面代码可以看出，第32行和第35行都不满足，所以执行了37行，因此dout为0。

        代码和波形保持一致，没有奇怪的现象！！！

        5. 三选一判断

        三选一判断：a. 条件信号有问题；b. 本逻辑代码有问题；c. 预期有问题。逼着自己做三选一判断，肯定是其中一个或者多个有问题。

        首先分析预期是否有问题：本设计的需求就是每隔250个时钟就输出一个高电平，这预期是没有错的。

        其次分析是不是本逻辑代码有问题。本逻辑代码是看cnt算到249时就变1，否则为0。从逻辑上“大概”是没错。

        最后再看条件，此时cnt为121，不是预期的249。这就是问题了，经过了这么多时间，cnt怎么才数到121呢？所以判断：条件信号cnt有问题。

        预期此时cnt为249，实际为121，所以cnt有问题，转成定位uut.cnt。

（三）定位错误信号uut.cnt

      

     1.确定错误时刻

        如前所述，预期这个时候uut.cnt的值为249，实际为121，我们来定位这个错误。

        按设计思路uut.cnt是0~249递增的。将cnt信号拉到波形窗口，看这个信号是不是递增的。发现第一个错误时刻如下图，当其为127时，预期下一个时钟为128，结果为0，也预期不符合，如下图。注意错误时刻改为2949ns。

        2.找到代码

        找到test_modelsim/uut/cnt的代码，产生此信号的代码如下：

        3. 排列信号

        从第19~29行代码可以看出，产生test_modelsim/uut/cnt的相关信号包括：clk，rst_n，cnt，都拉到波形窗口来看。全部都要拉进来（常见粗心点！）

        按照时钟、复位、条件信号和输出信号的顺序排列好。（常见粗心点！）

        4. 代入数据

        我们光标放到此错误时刻。

        此时，rst_n为1，cnt==127(上升沿前)，并且查询到CNT_N==250。将此值代入代码，如下图。

        从上面代码可以看出，第20行和第23行都不满足，所以执行了27行，因此cnt加1。加1预期是128，但结果是0。

        代码和波形好像没有保持一致，很奇怪的现象？！！！

        5. 三选一判断

        三选一判断：a. 条件信号有问题；b. 本逻辑代码有问题；c. 预期有问题。逼着自己做三选一判断，肯定是其中一个或者多个有问题。

        首先分析预期是否有问题：本设计的预期就是cnt从0递增到249，用来计数250个时钟，所以预期应该是正确的。

        其次分析是不是本逻辑代码有问题。本逻辑代码的想法是：当cnt数到249时清0，否则就加1。从逻辑上“大概”是没错。

        最后再看条件，此时条件cnt为127，也是预期的值。

        很奇怪。但不要觉得很奇怪，一定是我们的问题，绝不是软件有问题。

        虽然很奇怪，但我们可以确定，一定是执行27行代码时出现了问题，也就是一定是cnt+1出现了问题。在什么情况下，cnt+1会变成0而不是128呢？如果稍微有经验的工程师，就大概知道是信号位宽问题了。

        这个时候，我们要把128转成二进制来看，128=8’b1000_0000。我们展开cnt这个信号，发现cnt没有cnt[7]，也就是无法得到8’b1000_0000。

        没有cnt[7]，就说明定义有问题，检查定义位宽。

        修改成：

        至此，问题解决。

        上面就是定位错误的完整步骤，本案例其实一共定位了三个信号，由最终的输出信号dout，再定位到uut.dout，最后再定位到uut.cnt。无论哪个信号的定位，都是遵循了明德扬的定位错误方法。

        

      常有人跟我说，这方法很简单我已经完全掌握了，但有问题又定位不出来，这种情况就是眼高手低惹的祸，说白了这些同学不愿意把定位工作做细。例如，明明都已经定位不出问题了，还不愿意把信号排列好，一个一个代值进去看；再或者代值的时候想当然，总是按照思路计算，不按照写的代码一点点代入。

        

      有同学觉得定位错误的能力不是一定需要掌握的，认为有问题了应该是老师指出来，而不是自己定位出来，所谓老师就是传道授业“解惑”也。遇到问题就要求老师直接告诉我哪里错了，我就专心学知识专心写代码。如果老师真这么服务了，这个学员的职业生涯也注定长远不了。老师可以帮助您走一段路，但是不可能这样携手一直走下去，总有一点同学们需要进入工作岗位，需要自己设计代码，走上工程师的道路，如果没有掌握定位错误的能力，这个时候谁又能来帮你“解惑”呢？

        

     工程师最重要的是两个能力：设计能力和定位问题能力。有这两个能力，理论上什么项目搞不定？这两个能力如果要分一个高低，你们说哪个能力更重要？很多人都认为是设计能力，而我却认为定位问题能力更重要，想一想职业发展就明白了。设计能力厉害的就发展成技术专家，定位问题并且解决问题厉害的，就发展成管理层，研发工作的日常，就是定位问题和解决问题。优秀的研发管理，往往会协助员工制定清晰的定位思路和步骤，综合运用排除法、假设法、替换法等，逐步把定位范围缩小，直至找到最后的那一个问题点。因此，在可以学习可以进步的阶段，希望每一位同学都可以学会定位错误的方法，成为更加优秀的工程师。

Bell

很实用，学习了