如何使用数字逻辑分析仪

0x00 起因

　　最近在咸鱼入手了一台 FC3000 ，打算刷司徒做的开源系统。烧写好 SD 卡之后开机一直黑屏无法成功进入系统。

　　后来找到了司徒的开源帖：研究FC3000掌機的開源可行性 / 司徒开源 / WhyCan Forum(哇酷开发者社区) 。

　　在司徒的开源帖上爬楼并联系司徒后得知：司徒移植时的机器是 TN 屏，我手上的是 IPS 屏。由于屏幕不是同一型号，因此它们的初始化资料也不同。

　　最终在司徒的帮助得指导下，成功点亮我手上的机器。

0x01 什么是数字逻辑分析仪

　　逻辑分析仪(Digit Logic Analyzer)是分析数字系统逻辑关系的仪器。逻辑分析仪是属于数据域测试仪器中的一种总线分析仪，即以总线（多线）概念为基础，同时对多条数据线上的数据流进行观察和测试的仪器，这种仪器对复杂的数字系统的测试和分析十分有效。

0x02 数字逻辑分析仪有什么作用

　　逻辑分析仪是数字设计验证与调试过程中公认最出色的工具，它能够检验数字电路是否正常工作，并帮助用户查找并排除故障。逻辑分析仪的主要特点是能够同时观察多个信号；能够按高低电平、升降沿等模式触发多条信号线，并查看结果。

　　由于我手上并没有数字逻辑分析仪，于是去某宝淘了一个 24M 采样率 8 通道的开源产品：

0x04 实验条件

电脑
PulseView 和 VIM 、WPS 表格或 Excel
数字逻辑分析仪
被分析的数字电路
确定需要分析的引脚作用

0x04 实验任务

　　通过逻辑分析找出我手上的 FC3000 的屏幕初始化资料，并点亮我手上的屏幕。

0x05 确定引脚的作用

我需要点亮的就是以下这款机器：

　　这是它的屏，网上没有找到它的资料。

　　这个地址 https://steward-fu.github.io/website/handheld/fc3000/lcd_init.htm 有司徒找出 LCD 的初始化資料和经过和结果。

　　我重新测量了我手上的机器，确定引脚的作用的司徒给出的列表是一致的。

0x06 连接逻辑分析仪

　　由于屏幕需要测量的引脚是 18 个（RS + WR + DB[0-15]），而我手上的逻辑分析仪只有 8 通道，因此我必须分 3 次测量。

　　这个是我的测量方法：

RS、WR 必须测量，因为需要通过这 2 个引脚确定什么时候开始写，以及写入的是命令还是数据。
第一次测量 DB0~DB5 。
第二次测量 DB5~DB10 。
第三次测量 DB10~DB15 。
每次测量分别进行 3 次采样，以排除杂乱的信号。

　　我把逻辑分析仪 CH0-CH5 通道用于连接屏幕的 DB0~DB15 引脚，CH7 通道固定的 RS 引脚，CH8 通道固定为 WR 引脚。

　　下图是连接好的 DB10~DB15 以及 RS 、WR 引脚，逻辑分析仪的 GND 连接到目标电路的 GND ：

0x07 设置 PulseView

注：PulseView 的安装和逻辑分析仪驱动的安装不在本文的范围内，你可以咨询卖家或网上搜索相关教程。

　　逻辑分析仪连接到电脑，打开 PulseView ，默认选择的是 Demo device。点击右边的小三角选择 Connect to Device... 。

　　在弹出的对话框中选择驱动、扫描设备并选择你的逻辑分析仪。

　　最后设置采样数和采样率并修改一下通道名称。

　　由于我并不知道需要分析的屏幕工作在多少的频率下，因此我选择了逻辑分析仪最大采样率 24M 。

注：逻辑分析采样率最低要目标频率 2 倍以上，建议 5 到 10 倍。

　　屏幕的初始化会在机器上电后一秒内完成。所以我选择采样 50M 采样数，大约采样两秒时间。

　　鼠标放上去会显示采样时长：

0x08 开始采样

　　此次实验需要进行 3 次测量，每次测量采样 3 次。我把第 1 次测量采集到的数据分别保存成 1-1.csv ~ 1-3.csv ，第 2 次测量采集到的数据分别保存成 2-1.csv ~ 2-3.csv ，第 3 次类推。

　　点击 PulseView 左上角的 Run 按钮，并给目标电路上电。

　　我暂时把它分为四个阶段：

目标电路未上电
目标电路上电
初始化屏幕
正常刷新屏幕

　　先把它导出成 csv 文件等等后续分析。点击保存按钮右边的小三角，选择 Export Comma-separated values... 菜单，并选择保存路径。

　　导出参数把 Label values 改成 channel ，这样会使用我们设置好的通道名称标识数据，方便后细分析。

　　导出完成后再次点击 Run 按钮进行第 2 次采样和第 3 次采样。

　　DB10~DB15 采集完 3 次后。调整分析仪 CH0~CH5 连接 DB0~DB5 和 DB5~DB10 重复上面的采样工作。

　　最终得到以下 9 个文件：

　　文件头带有我们设置好的通道名称：

0x09 采样失败的处理

　　有时候会采样失败，如上图所示，一直只有高电平信号。

　　还有点击 Run 按钮之后没有开始采样。

　　点击 Run 按钮后 PulseView 卡死。

　　出现以上情况，取下分析仪重新连接电脑并重启 PulseView 一般可以解决。

0x10 去除重复的数据

　　我们设置的采样率大于目标电路的频率，同一个信号会采集多次。我们分析的时候只保留一份数据就可以了。

　　我们需要先处理一下，把重复的数据去掉。

awk -F ' ' 'BEGIN { last=""; } { if (last != $1) { last = $1; print $1 } }' 1-1.csv > dedup1-1.csv
awk -F ' ' 'BEGIN { last=""; } { if (last != $1) { last = $1; print $1 } }' 1-2.csv > dedup1-2.csv
awk -F ' ' 'BEGIN { last=""; } { if (last != $1) { last = $1; print $1 } }' 1-3.csv > dedup1-3.csv
awk -F ' ' 'BEGIN { last=""; } { if (last != $1) { last = $1; print $1 } }' 2-1.csv > dedup2-1.csv
awk -F ' ' 'BEGIN { last=""; } { if (last != $1) { last = $1; print $1 } }' 2-2.csv > dedup2-2.csv
awk -F ' ' 'BEGIN { last=""; } { if (last != $1) { last = $1; print $1 } }' 2-3.csv > dedup2-3.csv
awk -F ' ' 'BEGIN { last=""; } { if (last != $1) { last = $1; print $1 } }' 3-1.csv > dedup3-1.csv
awk -F ' ' 'BEGIN { last=""; } { if (last != $1) { last = $1; print $1 } }' 3-2.csv > dedup3-2.csv
awk -F ' ' 'BEGIN { last=""; } { if (last != $1) { last = $1; print $1 } }' 3-3.csv > dedup3-3.csv

0x11 去除屏幕刷新数据

　　我们的目标是提取屏幕初始化的资料，后面刷新屏幕的数据对于我们这次的目标来说没有作用，把它去除以减少我们处理的数据大小。

　　我们知道 RS 引脚电平是 0 的时候代表写入的是命令，电平是 1 的时候代表写入的是数据。而只有初始化屏幕的时候才需要写入命令，后面刷新屏幕的时候只写入数据。

　　所以，我们可以找 RS 信号为 0 的最后一个信号，确定屏幕初始化结束的位置。

　　使用 VIM 打开这些 csv 文件。

vim *.csv

注：你看到的 vim 界面很可能和我的不一样，因为我的 vim 安装了很多插件。如果你觉得一次性编辑所有文件有困难，你可以选择一次只编辑一个文件。

　　原生 vim 打开后很可能是这样的界面：

在 vim 输入命令 ?0,.$ + Enter 键，查找最后一个 RS 为 0 的信号。

再次在 vim 输入 3jdG 命令，删除后面的屏幕刷新信号。

输入 :bn + Enter 键切换下一个文件，并重复上面的修改步骤。

输入 :wa + Enter 键保存所有文件。再输入 :qa + Enter 键退出 vim 。

当然，你也可以把两个命令组合成 :wqa + Enter 保存所有文件并退出。

　　去除刷新屏幕的信号之后的文件已经非常小了。

0x12 清除杂乱的信号

　　输入下面的命令打开测量 DB0~DB5 的 3 次采样数据。

vimdiff dedup1*

　　先分析一下这一个界面的信号数据。

　　我们回顾一下 RS 引脚和 WR 引脚的作用：

RS 电平为 0 时代表写入的是命令；电平为 1 时代表写入的是数据。
WR 电平为 0 时代表读取数据；电平为 1 时代表写入数据。

　　我们的任务是要找到初始化屏幕的资料，因此 WR 为 0 的电平对我们这次的任务来说是没有意义的。这样首先排除了第一行信号和倒数 2~4 行的信号。

　　再看中间的 WR 为 1 的连续信号，连续写入的数据显然也是无效数据，这些很可能是 MCU 初始化引脚时输出的信号。那么只剩下最后一行有效信号。

　　使用你心爱的文本编辑器打开这 3 个文件，把前面的这些被排除的信号删除。注意保留第一行的 D0 ，这行是引脚的标识。

　　再回到 vim 界面时会自动重新读取文件，现在界面看起来大概是下面这图的样子。

注：以 “+ +–” 开头的行表示这里有多少行相同的数据，如第一行的 “+ +– 74 lines” 代表这里有 74 行相同的数据。

　　按 PageUp 和 PageDown 键浏览一下现在的文件，你会发现只有少数几行不一样。我们把不相同的行当作杂乱的信号删除掉。

使用 Ctrl-W + Ctrl-W 热键切换文件，j 和 k 把光标移动到不相同的行，再按 dd 删除此行。

　　你也可以选择使用其他 3 文件合并工具，如 Beyond Compare 对比 3 个文件。但记得要以文本方式比较。

　　把不相同的行全部删除就好了。

　　使用相同的方法处理 dedup2*.csv 和 dedup3*.csv 。

　　现在，我们得到的文件看起来像这样的：

注：经常上面的处理，每次测量的三个采样文件已经完全相同。所以后面只需要处理其中一个就可以了。我这里选择处理 1-1.csv 、2-1.csv 和 3-1.csv 。

　　可以看到，上面还有 WR 为 0 时的信号，对我们这次的实验是无效数据，应该删除。

在 vim 输入 :g/0$/d + Enter 键删除所有以 0 结尾的行。

继续输入 :bn 切换文件处理另外 2 个文件。

最后 :wqa 保存并退出 vim 。

　　剩下的就是目前我们认为是有效的数据了：

　　仔细看一下我们得到的数据：

WR 全部为 1 ，都是写入的信号。
RS 一行为 0 ，一行为 1 ，代表写一行命令再写一行数据。

　　这样的特征完全符合屏幕初始化的流程。

0x13 组合信号

　　细心的小伙伴可能会发现，3 次测量的引脚有重复的引脚。分别是第 1 次和第 2 次重复了 DB5 ，第 2 次和第 3 次重复了 DB10 。

　　可能你会觉得没必要重复测量同一个引脚，理论上确实是没必要。只是从一开始我就有一个小心思，可以利用这个重复的引脚校对和定位。

　　具体怎么操作呢？

校对 - 因为屏幕初始化的数据是固定的，所以无论你测量多少次，都应该是一样的。

现在我们可以利用 DB5 校对第 1 次测量和第 2 次测量有没有问题，DB10 校对第 2 次测量和第 3 次测量有没有问题。
定位 - 因为采样会采集到杂乱信号，就像前面我们处理那些。如果得到的相同的数据在不同的行说明还有杂乱信号导致移位了。

　　校对后把 dedup1-1.csv 、dedup2-1.csv 、dedup3-1.csv 三个文件按行合并成最终的信号。

　　你可以使用 WPS 、Excel 等电子表格类的软件进行合并，也可以使用 vim 等支持列模式的编辑软件编辑。

　　为方便截图和说明，我这里使用 WPS 进行处理。

　　使用 WPS 打开这 3 个文件，把 dedup2-1.csv 、dedup3-1.csv 两个文件的内容分别复制到 dedup2-1.csv 文件的右边。

　　在 Y2 格子输入公式 =F2=I2 + Enter ，然后双击该格子右下角的粗点。校对发现第 9 行两个 D5 的数据不一致了，

　　后面也有大量不一致的行，因此可以判断 D0~D5 或 D5~D10 的采样出问题了。

　　看了一下 D0~D5 采样的的 D5 数据，全是 0 ，可以判定是 D0~D5 的采样出问题，必须重新进行此采样。

　　我重新采样后 2 次采样的 D5 以及 D10 都是完全对。

　　最后把中间多余的 RS~D5 列，以及 RS~D10 列删除。

　　在 S 列输入以下公式，再双击此列右下角的粗点，这一列的计算结果就是最终的初始化数据了。配合 RS 列可知道写入的是数据还是指令。

=DEC2HEX(BITLSHIFT(A2,0)+BITLSHIFT(B2,1)+BITLSHIFT(C2,2)+BITLSHIFT(D2,3)+BITLSHIFT(E2,4)+BITLSHIFT(F2,5)+BITLSHIFT(G2,6)+BITLSHIFT(H2,7)+BITLSHIFT(I2,8)+BITLSHIFT(J2,9)+BITLSHIFT(K2,10)+BITLSHIFT(L2,11)+BITLSHIFT(M2,12)+BITLSHIFT(N2,13)+BITLSHIFT(O2,14)+BITLSHIFT(P2,15))

0x14 参考链接

https://whycan.com/t_6647.html

https://github.com/steward-fu/fc3000

https://steward-fu.github.io/website/handheld/fc3000/lcd_init.htm

https://sigrok.org/wiki/PulseView