FPGA驗證技術簡介

　　第一編 驗證的重要性

　　驗證，顧名思義就是通過仿真、時序分析、上板調試等手段檢驗設計正確性的過程，在FPGA/IC開發(fā)流程中，驗證主要包括功能驗證和時序驗證兩個部分。為了了解驗證的重要性，我們先來回顧一下FPGA開發(fā)的整個流程。FPGA開發(fā)流程和IC的開發(fā)流程相似，主要分為以下幾個部分：

　　1)設計輸入，利用HDL輸入工具、原理圖輸入工具或狀態(tài)機輸入工具等把所要設計的電路描述出來;

　　2)功能驗證，也就是前仿真，利用Modelsim、VCS等仿真工具對設計進行仿真，檢驗設計的功能是否正確;常用的仿真工具有Model Tech公司的ModelSim，Synopsys公司的VCS，Cadence公司的NC-Verilog和NC-VHDL，Aldec公司的 Active HDL VHDL/Verilog HDL等。仿真過程能及時發(fā)現(xiàn)設計中的錯誤，加快了設計進度，提高了設計的可*性。

　　3)綜合，綜合優(yōu)化是把HDL語言翻譯成最基本的與或非門的連接關系(網(wǎng)表)，并根據(jù)要求(約束條件)優(yōu)化所生成的門級邏輯連接，輸出edf和edn等文件，導給CPLD/FPGA廠家的軟件進行實現(xiàn)和布局布線。常用的專業(yè)綜合優(yōu)化工具有Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro、Amplify等綜合工具，Synopsys公司的FPGA Compiler II綜合工具(Synopsys公司將停止發(fā)展FPGA Express軟件，而轉到FPGA Compiler II平臺)，Exemplar Logic公司出品的LeonardoSpectrum等綜合工具。另外FPGA/CPLD廠商的集成開發(fā)環(huán)境也帶有一些綜合工具，如Xilinx ISE中的XST等。

　　4)布局布線，綜合的結果只是通用的門級網(wǎng)表，只是一些門與或非的邏輯關系，與芯片實際的配置情況還有差距。此時應該使用FPGA/CPLD廠商提供的實現(xiàn)與布局布線工具，根據(jù)所選芯片的型號，進行芯片內(nèi)部功能單元的實際連接與映射。這種實現(xiàn)與布局布線工具一般要選用所選器件的生產(chǎn)商開發(fā)的工具，因為只有生產(chǎn)者最了解器件內(nèi)部的結構，如在ISE的集成環(huán)境中完成實現(xiàn)與布局布線的工具是Flow Engine。

　　5)時序驗證，其目的是保證設計滿足時序要求，即setup/hold time符合要求，以便數(shù)據(jù)能被正確的采樣。時序驗證的主要方法包括STA(Static Timing Analysis)和后仿真。在后仿真中將布局布線的時延反標到設計中去，使仿真既包含門延時，又包含線延時信息。這種后仿真是最準確的仿真，能較好地反映芯片的實際工作情況。仿真工具與綜合前仿真工具相同。

　　6)生成并下載BIT或PROM文件，進行板級調試。

　　在以上幾個主要開發(fā)步驟當中，屬于驗證的有功能仿真和時序驗證兩個步驟，由于前仿真和后仿真涉及驗證環(huán)境的建立，需要耗費大量的時間，而在STA中對時序報告進行分析也是一個非常復雜的事情，因此驗證在整個設計流程中占用了大量的時間，在復雜的FPGA/IC設計中，驗證所占的時間估計在60%～70%之間。相比較而言， FPGA設計流程的其他環(huán)節(jié)由于需要人為干預的東西比較少，例如綜合、布局布線等流程，基本所有的工作都由工具完成，設置好工具的參數(shù)之后，結果很快就可以出來，因此所花的時間精力要比驗證少的多。

　　一般而言，在驗證的幾個內(nèi)容中功能驗證最受重視，研究討論得最多，特別是現(xiàn)在FPGA/IC設計都朝向SOC(System On Chip，片上系統(tǒng))的方向發(fā)展，設計的復雜都大大提高，如何保證這些復雜系統(tǒng)的功能是正確的成了至關重要的問題。功能驗證對所有功能進行充分的驗證，盡早地暴露問題，保證所有功能完全正確，滿足設計的需要。任何潛在的問題都會給后續(xù)工作作帶來難以極大的困難，而且由于問題發(fā)現(xiàn)得越遲，付出的代價也越大，這個代價是幾何級數(shù)增長的。這里將以功能驗證為主說明驗證方法、工具、驗證環(huán)境的建立、

　　做功能驗證時，需要建立驗證環(huán)境，以便對設計(DUT/DUV，Design Under Test/Verification)施加特定的輸入，然后對DUT的輸出進行檢查，確實其是否正確。在實際驗證工作中，一般采用由TESTBENCH 和DUT(design under test)組成的Verification體系。

　　Verification體系是驗證系統(tǒng)普遍適用的模型，Testbench為DUT提供輸入，然后監(jiān)視輸出，從而判斷DUT工作是否正確。注意到這是一個封閉的系統(tǒng)，沒有輸入也沒有輸出。驗證工作的難度在于確定應該輸入何種激勵，相應的正確的輸出應該是怎樣的。

　　下一篇我們看個具體的例子，一起寫代碼和仿真。