FPGA開發(fā)全攻略：典型芯片和SOC系統(tǒng)設計流程及注意事項

FPGA 是可編程芯片，因此 FPGA 的設計方法包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件包括 FPGA 芯片電路、 存儲器、輸入輸出接口電路以及其他設備，軟件即是相應的 HDL 程序以及最新才流行的嵌入式 C 程序。

目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到 SOC 階段，即集成系統(tǒng)(Integrated System)階段，相對于集成電路(IC)的設計思想有著革命性的變化。SOC 是一個復雜的系統(tǒng)，它將一個完整產(chǎn)品的功能集成在一個芯片上，包括核心處理器、存儲單元、硬件加速單元以及眾多的外部設備接口等，具有設計周期長、實現(xiàn)成本高等特點，因此其設計方法必然是自頂向下的從系統(tǒng)級到功能模塊的軟、硬件協(xié)同設計，達到軟、硬件的無縫結(jié)合。

典型 FPGA 開發(fā)流程與注意事項
FPGA 的設計流程就是利用 EDA 開發(fā)軟件和編程工具對 FPGA 芯片進行開發(fā)的過程。典型 FPGA 的開發(fā)流程一般如圖 4.1.1 所示，包括功能定義 / 器件選型、設計輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實現(xiàn)、布線后仿真、板級仿真以及芯片編程與調(diào)試等主要步驟。

1、功能定義 / 器件選型

在 FPGA 設計項目開始之前，必須有系統(tǒng)功能的定義和模塊的劃分，另外就是要根據(jù)任務要求，如系統(tǒng)的功能和復雜度，對工作速度和器件本身的資源、成本、以及連線的可布性等方面進行權(quán)衡，選擇合適的設計方案和合適的器件類型。一般都采用自頂向下的設計方法，把系統(tǒng)分成若干個基本單元，然后再把每個基本單元劃分為下一層次的基本單元，一直這樣做下去，直到可以直接使用 EDA 元件庫為止。

2、 設計輸入

設計輸入是將所設計的系統(tǒng)或電路以開發(fā)軟件要求的某種形式表示出來，并輸入給 EDA 工具的過程。常用的方法有硬件描述語言(HDL)和原理圖輸入方法等。原理圖輸入方式是一種最直接的描述方式，在可編程芯片發(fā)展的早期應用比較廣泛，它將所需的器件從元件庫中調(diào)出來，畫出原理圖。這種方法雖然直觀并易于仿真，但效率很低，且不易維護，不利于模塊構(gòu)造和重用。更主要的缺點是可移植性差，當芯片升級后，所有的原理圖都需要作一定的改動。

目前，在實際開發(fā)中應用最廣的就是 HDL 語言輸入法，利用文本描述設計，可以分為普通 HDL 和行為 HDL。普通 HDL 有 ABEL、CUR 等，支持邏輯方程、真值表和狀態(tài)機等表達方式，主要用于簡單的小型設計。而在中大型工程中，主要使用行為 HDL，其主流語言是 Verilog HDL 和 VHDL。這兩種語言都是美國電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)的標準，其共同的突出特點有：語言與芯片工藝無關(guān)，利于自頂向下設計，便于模塊的劃分與移植，可移植性好，具有很強的邏輯描述和仿真功能，而且輸入效率很高。除了這 IEEE 標準語言外，還有廠商自己的語言。也可以用 HDL 為主，原理圖為輔的混合設計方式，以發(fā)揮兩者的各自特色。

3、 功能仿真

功能仿真也稱為前仿真是在編譯之前對用戶所設計的電路進行邏輯功能驗證，此時的仿真沒有延遲信息，僅對初步的功能進行檢測。仿真前，要先利用波形編輯器和 HDL 等建立波形文件和測試向量(即將所關(guān)心的輸入信號組合成序列)，仿真結(jié)果將會生成報告文件和輸出信號波形，從中便可以觀察各個節(jié)點信號的變化。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則返回設計修改邏輯設計。常用的工具有 Model Tech 公司的 ModelSim、Sysnopsys 公司的 VCS 和 Cadence 公司的 NC-Verilog 以及 NC-VHDL 等軟件。

4、 綜合優(yōu)化

所謂綜合就是將較高級抽象層次的描述轉(zhuǎn)化成較低層次的描述。綜合優(yōu)化根據(jù)目標與要求優(yōu)化所生成的邏輯連接，使層次設計平面化，供 FPGA 布局布線軟件進行實現(xiàn)。就目前的層次來看，綜合優(yōu)化(Synthesis)是指將設計輸入編譯成由與門、或門、非門、RAM、觸發(fā)器等基本邏輯單元組成的邏輯連接網(wǎng)表，而并非真實的門級電路。真實具體的門級電路需要利用 FPGA 制造商的布局布線功能，根據(jù)綜合后生成的標準門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來產(chǎn)生。為了能轉(zhuǎn)換成標準的門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表，HDL 程序的編寫必須符合特定綜合器所要求的風格。由于門級結(jié)構(gòu)、RTL 級的 HDL 程序的綜合是很成熟的技術(shù)，所有的綜合器都可以支持到這一級別的綜合。常用的綜合工具有 Synplicity 公司的 Synplify/Synplify Pro 軟件以及各個 FPGA 廠家自己推出的綜合開發(fā)工具。

5、 綜合后仿真

綜合后仿真檢查綜合結(jié)果是否和原設計一致。在仿真時，把綜合生成的標準延時文件反標注到綜合仿真模型中去，可估計門延時帶來的影響。但這一步驟不能估計線延時，因此和布線后的實際情況還有一定的差距，并不十分準確。目前的綜合工具較為成熟，對于一般的設計可以省略這一步，但如果在布局布線后發(fā)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)和設計意圖不符，則需要回溯到綜合后仿真來確認問題之所在。在功能仿真中介紹的軟件工具一般都支持綜合后仿真。

圖 1 FPGA 典型設計流程

6、 實現(xiàn)與布局布線

布局布線可理解為利用實現(xiàn)工具把邏輯映射到目標器件結(jié)構(gòu)的資源中，決定邏輯的最佳布局，選擇邏輯與輸入輸出功能鏈接的布線通道進行連線，并產(chǎn)生相應文件(如配置文件與相關(guān)報告)，實現(xiàn)是將綜合生成的邏輯網(wǎng)表配置到具體的 FPGA 芯片上，布局布線是其中最重要的過程。布局將邏輯網(wǎng)表中的硬件原語和底層單元合理地配置到芯片內(nèi)部的固有硬件結(jié)構(gòu)上，并且往往需要在速度最優(yōu)和面積最優(yōu)之間作出選擇。布線根據(jù)布局的拓撲結(jié)構(gòu)，利用芯片內(nèi)部的各種連線資源，合理正確地連接各個元件。目前，F(xiàn)PGA 的結(jié)構(gòu)非常復雜，特別是在有時序約束條件時，需要利用時序驅(qū)動的引擎進行布局布線。布線結(jié)束后，軟件工具會自動生成報告，提供有關(guān)設計中各部分資源的使用情況。由于只有 FPGA 芯片生產(chǎn)商對芯片結(jié)構(gòu)最為了解，所以布局布線必須選擇芯片開發(fā)商提供的工具。

7、 時序仿真

時序仿真，也稱為后仿真，是指將布局布線的延時信息反標注到設計網(wǎng)表中來檢測有無時序違規(guī)(即不滿足時序約束條件或器件固有的時序規(guī)則，如建立時間、保持時間等)現(xiàn)象。時序仿真包含的延遲信息最全，也最精確，能較好地反映芯片的實際工作情況。由于不同芯片的內(nèi)部延時不一樣，不同的布局布線方案也給延時帶來不同的影響。因此在布局布線后，通過對系統(tǒng)和各個模塊進行時序仿真，分析其時序關(guān)系，估計系統(tǒng)性能，以及檢查和消除競爭冒險是非常有必要的。在功能仿真中介紹的軟件工具一般都支持綜合后仿真。

8、 板級仿真與驗證

板級仿真主要應用于高速電路設計中，對高速系統(tǒng)的信號完整性、電磁干擾等特征進行分析，一般都以第三方工具進行仿真和驗證。

9、 芯片編程與調(diào)試

設計的最后一步就是芯片編程與調(diào)試。芯片編程是指產(chǎn)生使用的數(shù)據(jù)文件(位數(shù)據(jù)流文件，Bitstream Generation)，然后將編程數(shù)據(jù)下載到 FPGA 芯片中。其中，芯片編程需要滿足一定的條件，如編程電壓、編程時序和編程算法等方面。邏輯分析儀(Logic Analyzer，LA)是 FPGA 設計的主要調(diào)試工具，但需要引出大量的測試管腳，且 LA 價格昂貴。目前，主流的 FPGA 芯片生產(chǎn)商都提供了內(nèi)嵌的在線邏輯分析儀(如 Xilinx ISE 中的 ChipScope、Altera QuartusII 中的 SignalTapII 以及 SignalProb)來解決上述矛盾，它們只需要占用芯片少量的邏輯資源，具有很高的實用價值。

基于 FPGA 的 SOC 設計方法
目前，由于 FPGA 性能提升價格下降，同時嵌入越來越多內(nèi)核，很自然地，很多 IC 設計公司將 FPGA 用于 ASIC 原型驗證，把 FPGA 可編程的優(yōu)點帶到了 SOC 領(lǐng)域，其系統(tǒng)由嵌入式處理器內(nèi)核、DSP 單元、大容量處理器、吉比特收發(fā)器、混合邏輯、IP 以及原有的設計部分組成。

SOC 平臺的核心部分是內(nèi)嵌的處理內(nèi)核，其硬件是固定的，軟件則是可編程的；外圍電路則由 FPGA 的邏輯資源組成，大都以 IP 的形式提供，例如存儲器接口、USB 接口以及以太網(wǎng) MAC 層接口等，用戶根據(jù)自己需要在內(nèi)核總線上添加，并能自己訂制相應的接口 IP 和外圍設備。

基于 FPGA 的典型 SOC 開發(fā)流程為：

1、芯片內(nèi)的考慮

從設計生成開始，設計人員需要從硬件 / 軟件協(xié)同驗證的思路入手，以找出只能在系統(tǒng)集成階段才會被發(fā)現(xiàn)的軟、硬件缺陷。然后選擇合適的芯片以及開發(fā)工具，在綜合過程得到優(yōu)化，隨后進行精確的實現(xiàn)，以滿足實際需求。由于設計規(guī)模越來越大，工作頻率也到了數(shù)百兆赫茲，布局布線的延遲將變得非常重要。為了確保滿足時序，需要在布局布線后進行靜態(tài)時序分析，對設計進行驗證。

2、板級驗證

在芯片設計完畢后，需要再進行板級驗證，以便在印刷電路板(PCB) 上保證與最初設計功能一致。因此，PCB 布局以及信號完整性測試應被納入設計流程。由于芯片內(nèi)設計所做的任何改變都將反映在下游的設計流程中，各個過程之間的數(shù)據(jù)接口和管理也必須是無誤的。預計 SOC 系統(tǒng)以及所必須的額外過程將使數(shù)據(jù)的大小成指數(shù)增長，因此，管理各種數(shù)據(jù)集本身是急劇挑戰(zhàn)性的任務。

聽過了太多國產(chǎn) EDA 工具、FPGA 芯片的報道，很全面，也都能站在國家戰(zhàn)略，資本市場等多個宏觀角度去思考、分析問題。但我想，對于普通開發(fā)者而言，我們當然相信前途是很美好的，但我們也很關(guān)心 EDA 工具是否穩(wěn)定，比如說：

1 500M 的芯片，跑不了 50M 的邏輯，EDA 工具都經(jīng)歷了什么？

2 簡單的邏輯就導致布線的擁塞？

3 在線邏輯分析儀抓不到想要的信號？

這次我們邀請了 MYMINIEYE 的 Mill 和高云半導體市場副總裁 Paul(黃俊)從技術(shù)的角度聊聊 EDA 工具和 FPGA 芯片。Mill 有著多年的 FPGA 產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，而 Paul 也在國內(nèi)外原廠有著多年的技術(shù)及市場經(jīng)驗，因此，從開發(fā)者和原廠的角度一起探討 FPGA 開發(fā)核心技術(shù)問題，說出 FPGA 原廠背后的有趣故事。

審核編輯 黃昊宇