基于IP核的FPGA設(shè)計(jì)方法

幾年前設(shè)計(jì)專用集成電路（ASIC） 還是少數(shù)集成電路設(shè)計(jì)工程師的事， 隨著硅的集成度不斷提高，百萬(wàn)門的ASIC 已不難實(shí)現(xiàn)， 系統(tǒng)制造公司的設(shè)計(jì)人員正越來(lái)越多地采用ASIC 技術(shù)集成系統(tǒng)級(jí)功能（System L evel In tegrete - SL I） ， 或稱片上系統(tǒng)（System on a ch ip ） ， 但ASIC 設(shè)計(jì)能力跟不上制造能力的矛盾也日益突出?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)人員已不必全部用邏輯門去設(shè)計(jì)ASIC， 類似于用集成電路（ IC） 芯片在印制板上的設(shè)計(jì)，ASIC 設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用等效于印制板上IC 芯片的功能模塊， 稱為核（core）、或知識(shí)產(chǎn)權(quán)（ IP） 宏單元進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 這就是基于核的設(shè)計(jì)方法。CPU、存儲(chǔ)器、總線控制器、接口電路、DSP 等都可成為核。但是ASIC 設(shè)計(jì)與印制板（PCB） 設(shè)計(jì)有很大區(qū)別，ASIC 必須用EDA 工具進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)， 主要問(wèn)題都是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真解決， 而不能象印制板設(shè)計(jì)那樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試解決， 另外ASIC 的制造還需要數(shù)量可觀（一般數(shù)萬(wàn)美元） 的不可重復(fù)工程費(fèi)用（NRE）。80年代后期出現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FP

GA ） 和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD） 是ASIC 的一種， 其優(yōu)點(diǎn)是在制造廠家提供的FPGA 或CPLD 芯片上， 可由設(shè)計(jì)工程師對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程完成ASIC 的最后設(shè)計(jì)， 而不需昂貴的NRE 費(fèi)?，F(xiàn)在FPGA 的規(guī)模已達(dá)到百萬(wàn)門， 如XILINX 公司的V irtex 系列， 完全可以實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)方法將逐步轉(zhuǎn)向核基設(shè)計(jì)。

1核的分類和特點(diǎn)

核是一種預(yù)定義的并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的復(fù)雜功能模塊， 它可以集成到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。核基設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)是可重復(fù)使用已有設(shè)計(jì)模塊， 縮短設(shè)計(jì)時(shí)間， 減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)， 通過(guò)高層的集成可望提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。在FPGA 設(shè)計(jì)中的核分為三種，

硬核（hard core）預(yù)定義的已布局布線的模塊 不能修改設(shè)計(jì)， 必須采指定實(shí)現(xiàn)技術(shù) 時(shí)序性能有保證

固核（firm core） HDL 源碼，與實(shí)現(xiàn)技術(shù)有關(guān)的網(wǎng)表 部分功能可以修改， 采用指定的實(shí)現(xiàn)技術(shù) 關(guān)鍵路徑時(shí)序可控制

軟件（soft core）行為級(jí)或RTL 級(jí)HDL源碼 可修改設(shè)計(jì)，與具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān) 時(shí)序性能無(wú)保證， 由使用者確定

硬核是針對(duì)特定的實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化的， 它具有不能修改的結(jié)構(gòu)和布局布線， 可作為庫(kù)元件使用， 且時(shí)序性能穩(wěn)定， 但硬核不能按設(shè)計(jì)需要修改和調(diào)整時(shí)序。固核由HDL 源碼和與實(shí)現(xiàn)技術(shù)有關(guān)的網(wǎng)表組成， 使用者可按規(guī)定增減部分功能。固核的關(guān)鍵路徑時(shí)序是固定的， 但其實(shí)現(xiàn)技術(shù)不能更改， 即不同廠家FPGA 的固核不能互換使用。軟核是可綜合的硬件描述語(yǔ)言（HDL ） 源碼， 它與實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)， 可按使用者需要修改， 具有最大的使用靈活性， 但軟核的關(guān)鍵路徑時(shí)序性能無(wú)保證， 最終性能主要決定于使用者采用的綜合、布局布線和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

在FPGA 設(shè)計(jì)中， 由于不同廠家的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)差別較大， 完全與硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)的軟核性能受到很大限制， 而硬核缺少使用的靈活性， 因此作為軟、硬核折中的固核使用較多。以上是具有代表性的核的分類， 在實(shí)際使用中， 某種功能的核往往以各種形式出現(xiàn)， 由使用者按需要選用， 軟核也不僅只有HDL 源碼， 還包括用于功能測(cè)試的行為模型和測(cè)試向量， 用于指導(dǎo)綜合的約束文件。

2核基FPGA 設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

在核基設(shè)計(jì)中， 一個(gè)完整的設(shè)計(jì)主要由兩部分組成， 一部分是核， 如圖1中的MCU、RAM ， 另一部分是用戶自己定義的邏輯電路。按系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求將這些功能模塊連接在一起就完成了芯片的設(shè)計(jì)，各個(gè)核或功能塊的連接目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)， 因不同的設(shè)計(jì)而定， 一般應(yīng)滿足一定的時(shí)序要求。作為核基設(shè)計(jì)的第一步是選擇合適的核， 這主要從核的功能、性能可靠性和實(shí)現(xiàn)技術(shù)幾方面來(lái)選擇。

圖1核基設(shè)計(jì)芯片示意圖

一個(gè)核首先要有核的功能描述文件， 用于說(shuō)明該核的功能、時(shí)序要求等， 如圖2所示， 其次還要包括設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證兩個(gè)方面的文件， 即不但要有實(shí)現(xiàn)核功能的寄存器傳輸級(jí)（RTL ） 源碼或網(wǎng)表， 還要有用于核實(shí)現(xiàn)后驗(yàn)證邏輯功能正確性的仿真模型和測(cè)試向量。硬核的實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單， 類似于PCB 設(shè)計(jì)中IC 芯片的使用， 軟核的使用情況較為復(fù)雜， 實(shí)現(xiàn)后的性能與使用者的具體實(shí)現(xiàn)方式有關(guān)， 為保證軟核的性能， 軟核提供者一般還提供綜合描述文件， 用于指導(dǎo)軟核的綜合， 固核的使用介于上述二者之間。

圖2

核由設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證組成很多核提供者都提供核的評(píng)價(jià)環(huán)境和演示、開(kāi)發(fā)板，便于用戶了解核的功能和使用。核基FPGA 設(shè)計(jì)流程如圖3所示。設(shè)計(jì)輸入部分包括： 1） 用戶設(shè)計(jì)邏輯、軟核、固核或硬核仿真模型的輸入， 2） 功能仿真， 3） 邏輯綜合。其中仿真模型是一個(gè)行為級(jí)模型， 只用作功能仿真， 不進(jìn)行綜合。

圖3核基FPGA 設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)的輸入一般是采用HDL 語(yǔ)言， 如VHDL、V erilog 等， 輸入完設(shè)計(jì)和仿真模型后就可進(jìn)行功能仿真， 當(dāng)功能仿真完成后， 就可進(jìn)行邏輯電路的綜合。

用戶邏輯和軟核的綜合應(yīng)加合理的時(shí)序約束， 以滿足設(shè)計(jì)的要求， 約束條件可由綜合文件（Synthesis Script ） 給出。完成設(shè)計(jì)輸入后進(jìn)入設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)階段，在此階段固核的網(wǎng)表和設(shè)計(jì)約束文件， 用戶綜合出的網(wǎng)表和設(shè)計(jì)約束文件一起輸入給FPGA 布局布線工具， 完成FPGA 的最后實(shí)現(xiàn)， 并產(chǎn)生時(shí)序文件用于時(shí)序仿真和功能驗(yàn)證。最后進(jìn)入設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，用靜態(tài)時(shí)序分析判定設(shè)計(jì)是否達(dá)到性能要求， 對(duì)比功能仿真結(jié)果和時(shí)序仿真結(jié)果， 驗(yàn)證設(shè)計(jì)的時(shí)序和功能是否正確。若設(shè)計(jì)的性能不能達(dá)到要求， 需找出影響性能的關(guān)鍵路徑， 并返回延時(shí)信息， 修改約束文件， 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行重新綜合和布局布線， 如此重復(fù)多次直到滿足設(shè)計(jì)要求

為止。若重復(fù)多次還不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 則需修改設(shè)計(jì)或采用其它實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

3軟核的設(shè)計(jì)及使用

由于FPGA 的硬件技術(shù)迅速發(fā)展， 硬件資源越來(lái)越豐富， 速度越來(lái)越快， 使軟核資源利用率不高、工作速度較低等不足得到很大的彌補(bǔ)， 軟核在核基設(shè)計(jì)中作用越來(lái)越大。其主要優(yōu)點(diǎn)是功能與實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)， 使用靈活。這樣我們可以很方便地在不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)下使用軟核。如用X IL INX FPGA 實(shí)現(xiàn)的軟核， 不需改動(dòng)設(shè)計(jì)， 重新綜合后就可以用ACTEL FPGA 實(shí)現(xiàn)， 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的靈活性大為提高。但軟核的性能受實(shí)現(xiàn)技術(shù)影響還是很大， 怎樣保證軟核達(dá)到預(yù)想的性能是目前需要解決的難題。國(guó)外近年提出了與實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)的可綜合軟核的思想， 希望通過(guò)對(duì)編制軟核的HDL 源碼的某種限制， 并結(jié)合綜合工具的時(shí)序約束功能， 達(dá)到部分控制軟核性能的目的。如限制軟核只能采用嚴(yán)格的同步邏輯設(shè)計(jì)， 沒(méi)有反饋環(huán)路、多時(shí)鐘路徑、三態(tài)邏輯、鎖存器和異步置位復(fù)位觸發(fā)器， 只使用D 觸發(fā)器和邏輯門。這樣借助于綜合工具， 可有效地控制軟核關(guān)鍵路徑的延時(shí)，并預(yù)測(cè)具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)中軟核的性能。當(dāng)然這是以犧牲一定的FPGA 邏輯資源為代價(jià)的， 但隨著硅技術(shù)的發(fā)展， 硬件資源十分豐富， 用一定的硬件資源浪費(fèi)去換取設(shè)計(jì)靈活性提高是值得的， 正如在PC 機(jī)軟件設(shè)計(jì)中， 現(xiàn)在已很少有人過(guò)多考慮程序占用的存儲(chǔ)空間一樣。

本文作者按照上述軟核設(shè)計(jì)思想， 采用全同步邏輯設(shè)計(jì)， 只使用D 觸發(fā)器和邏輯門， 實(shí)現(xiàn)了與PIC16C57兼容的8位微控制器的設(shè)計(jì)。頂層結(jié)構(gòu)如圖4， 采用哈佛結(jié)構(gòu)， 取指和指令執(zhí)行并行工作， 除少數(shù)幾條程序跳轉(zhuǎn)指令外， 全部為單時(shí)鐘周期指令。程序存儲(chǔ)器ROM 一般放在FPGA 外， 若ROM 中指令較少， 也可放在FPGA 內(nèi)。數(shù)據(jù)總線采用多路選擇器形式， 以適應(yīng)不同的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。指令寄存器和特殊功能寄存器， 包括IO 端口寄存器、狀態(tài)寄存器、程序計(jì)數(shù)器等， 都由D 觸發(fā)器構(gòu)成， 通用寄存器采用了FPGA 的RAM 模塊， 指令譯碼和算數(shù)邏輯單元由組合邏輯門構(gòu)成。

圖48位微控制器頂層結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)的主要功能：（1） 指令與P IC16C57兼容。（2） 三個(gè)8位雙向IO 口。（3） 程序存儲(chǔ)器2K X 12 B IT。（4） 內(nèi)部RAM 共32個(gè)， 7個(gè)為特殊寄存器。（5） 二級(jí)子程序堆棧。（6） 未實(shí)現(xiàn)指令： POT ION、SLEEP、CLRWDT。（7） 單相時(shí)鐘。該軟核用VHDL 語(yǔ)言完成設(shè)計(jì)的輸入， 用EXPRESS 綜合工具進(jìn)行綜合， 采用Xilinx 4000系列FPGA 實(shí)現(xiàn)， 不包括ROM 約需2500邏輯門， 時(shí)鐘頻率5MHz， 即運(yùn)行一條指令200ns。

上述軟核在綜合、布局布線時(shí)， 只給予了簡(jiǎn)單的時(shí)序約束， 當(dāng)需要改用其它FPGA 實(shí)現(xiàn)時(shí)， 可用綜合工具重新綜合、布局布線， 一般不需改變時(shí)序約束文件就能達(dá)到上述性能， 因此當(dāng)時(shí)鐘頻率不太高時(shí)，軟核的使用還是較為方便的。但當(dāng)時(shí)鐘頻率較高時(shí)，雖然采用了與實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)的可綜合軟核的思想，軟核的性能還是與使用者及其采用的實(shí)現(xiàn)技術(shù)緊密相關(guān)， 要真正做到與實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)是很困難的。此時(shí)軟核的使用者必須清楚其使用的復(fù)雜性， 最好能得到軟核提供者的技術(shù)支持， 許多軟核提供者都提供這方面的服務(wù)。

4總結(jié)

隨著硅技術(shù)的發(fā)展， 集成電路芯片的硬件生產(chǎn)能力迅速提高， 幾年前FPGA、CPLD 的規(guī)模還在萬(wàn)門左右， 現(xiàn)在ALTERA 公司已宣布將推出250萬(wàn)門的CPLD。如此快的發(fā)展速度， 使集成電路設(shè)計(jì)能力嚴(yán)重不足， 只靠增加設(shè)計(jì)人員， 不從設(shè)計(jì)方法上改進(jìn)， 提高設(shè)計(jì)的效率， 是不可能解決問(wèn)題的。因此基于核的設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)重利用等技術(shù)， 近年來(lái)在國(guó)外發(fā)展很快， 并成立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化組織， 如VSIA （Virtual Socket Interface Alliance） ， 專門從事核或稱IP模塊的互連標(biāo)準(zhǔn)研究， 以使核的使用就象在印制板上使用集成電路塊一樣方便。一個(gè)片上系統(tǒng)的時(shí)代即將到來(lái)， 電子工程師應(yīng)跟上這個(gè)時(shí)代發(fā)展的潮流，正如以前電子管系統(tǒng)向晶體管系統(tǒng)， 分離元件系統(tǒng)向集成電路系統(tǒng)發(fā)展一樣。