Debugging folosind Xilinx ISE

Tutorialul își propune depanarea unui modul folosind uneltele de debugging puse la dispoziție de simulatorul ISim, integrat în Xilinx ISE. Ca exemplu, se va folosi un sumator cu propagare a transportului (ripple carry). O posibilă implementare în Verilog a acestuia, care conține câteva greșeli, este prezentată în figura următoare.

Simularea inițială a modului poate fi observată în figura următoare. Se observă că semnalul sum conține valori nedefinite (x) pe toată durata de simulare a modulului.

Pentru a ne ușura analiza semnalelor vom schimba modul în care aceastea sunt afișate. Apăsând click-dreapta pe un semnal vom alege ca acesta să fie afișat ca un număr în baza 10, fără semn.

Putem expanda un semnal pe mai multi biți pentru a inspecta toți biții acestuia.

Putem vedea variabilele interne ale unui modul dacă selectăm instanța acestuia din lista de instanțe. În cadrul ierarhiei, modulul nostru se află imediat sub modulul test_adder iar instanța acestuia se numește uut (unit under test).

Putem deschide codul sursă al unei instanțe în simulator făcând dublu-click pe aceasta.

În cadrul editorului de cod putem activa un breakpoint la linia curentă folosind tasta F9 sau făcând click pe porțiunea gri din dreapta numărului liniei.

În continuare vom activa 2 breakpoint-uri, la liniile 35 și 37, pentru a putea inspecta starea variabilelor în fiecare iterație și la sfârșitul ciclului.

Se poate observa că la începutul simulării toate variabilele instanței uut sunt nedefinite, lucru normal deoarece simularea nu a început încă .

Simularea se va opri la orice breakpoint întâlnit. În cazul nostrul, primul breakpoint întâlnit este cel de la linia 35, iar simularea se va opri înainte de a executa instrucțiunea de la linia 35. În acest moment al simulării putem vedea că ambele intrări ale modului au valoarea 0, contorul ciclului are valoarea 0 (ne aflăm în prima iterație), iar ieșirile sunt încă nedefinite, deoarece încă nu le-am atribuit nici o valoare.

Vom rula simularea în continuare folosind butonul Run All. Simularea se va opri din nou la breakpoint-ul de la linia 35, însă în momentul acesta ne aflăm în a doua iterație a ciclului. Putem vedea lucrul acesta inspectând valoarea contorului, care este 1 (prima valoare a contorului a fost 0). În această iterație vedem că primul bit al lui sum a fost setat la valoarea 0.

Rulăm în continuare simularea, folosind butonul Run All, până când execuția ciclului se termină și ajungem la breakpoint-ul de la linia 37. În acest moment, pentru o implementare corectă, suma celor două intrări ar trebui să fie calculată complet. Observăm însă că cel mai semnificativ bit al lui sum a rămas nedefinit. Înseamnă că ciclul nostru s-a terminat prea repede. Inspectând condiția de oprire, vedem că ieșirea din ciclu se face când i devine 7. Iterația corespunzătoare lui i == 7 nu se execută, ceea ce explică de ce bitul 7 din sum este nedefinit.

După ce am modificat codul modulului este necesar să recompilăm simularea pentru a vedea efectele schimbării. Folosim butonul Re-launch pentru a recompila și rerula simularea.

Eliminăm breakpoint-urile făcând click pe ele, sau folosind tasta F9, pentru a putea rula ușor simularea până la capăt. La o primă vedere, din fereastra de variabile, rezultatul pare a fi corect, semnalele nedefinite au dispărut, iar suma pare a fi calculată corect.

Adăugăm din nou breakpoint-urile anterioare și reluăm simularea de la început cu butonul Restart.

Rulăm simularea până ajungem în prima iterație a celei de-a doua perechi de numere adunate. Recunoaștem această stare după valorile 00101000 și 00001010 prezente la intrările a și b și valoarea 0 a controului i. Valoarea sumei, 00000000, este rămasă de la adunarea anterioară.

În a doua iterație vedem că suma calculată în prima iterație pentru cel mai puțin semnificativ bit al lui sum este 1. Din datele de intrare: a[0] == 0, b[0] == 0 și c_in == 0 am deduce că această sumă ar trebui să fie 0. Inspectând expresia pentru calcul sumei, observăm că rezultatul pentru toți biții lui sum se calculează cu b[1].

Modificăm codul, corectând cu expresia corectă a sumei, care depinde de i, b[i].

Dezactivăm breakpoint-urile, recompilăm simularea și inspectăm din nou diagrama de semnale. Cu modificările făcute, circuitul pare să funcționeze corect (cel puțin pentru cele 4 cazuri testate).

În continuare, pentru a ne asigura de funcționarea corectă a modului, acesta trebuie testat folosind mai multe combinații pentru variabilele de intrare (în special cazuri limită). La descoperirea unei erori în output, vom relua procesul de debugging, pentru a găsi și corecta bug-ul.