典型FPGA的開(kāi)發(fā)流程和實(shí)現(xiàn)SOC的設(shè)計(jì)方法

FPGA 是可編程芯片，因此 FPGA 的設(shè)計(jì)方法包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件包括 FPGA 芯片電路、 存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路以及其他設(shè)備，軟件即是相應(yīng)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(duì)于集成電路（IC）的設(shè)計(jì)思想有著革命性的變化。SOC 是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它將一個(gè)完整產(chǎn)品的功能集成在一個(gè)芯片上，包括核心處理器、存儲(chǔ)單元、硬件加速單元以及眾多的外部設(shè)備接口等，具有設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)成本高等特點(diǎn)，因此其設(shè)計(jì)方法必然是自頂向下的從系統(tǒng)級(jí)到功能模塊的軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，達(dá)到軟、硬件的無(wú)縫結(jié)合。

典型 FPGA 開(kāi)發(fā)流程與注意事項(xiàng)

FPGA 的設(shè)計(jì)流程就是利用 EDA 開(kāi)發(fā)軟件和編程工具對(duì) FPGA 芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程。典型 FPGA 的開(kāi)發(fā)流程一般如所示，包括功能定義 / 器件選型、設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實(shí)現(xiàn)、布線后仿真、板級(jí)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(shè)計(jì)項(xiàng)目開(kāi)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(wù)要求，如系統(tǒng)的功能和復(fù)雜度，對(duì)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(jìn)行權(quán)衡，選擇合適的設(shè)計(jì)方案和合適的器件類型。一般都采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，把系統(tǒng)分成若干個(gè)基本單元，然后再把每個(gè)基本單元?jiǎng)澐譃橄乱粚哟蔚幕締卧?，一直這樣做下去，直到可以直接使用 EDA 元件庫(kù)為止。

2、 設(shè)計(jì)輸入

設(shè)計(jì)輸入是將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或電路以開(kāi)發(fā)軟件要求的某種形式表示出來(lái)，并輸入給 EDA 工具的過(guò)程。常用的方法有硬件描述語(yǔ)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(yīng)用比較廣泛，它將所需的器件從元件庫(kù)中調(diào)出來(lái)，畫(huà)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(hù)，不利于模塊構(gòu)造和重用。更主要的缺點(diǎn)是可移植性差，當(dāng)芯片升級(jí)后，所有的原理圖都需要作一定的改動(dòng)。

目前，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中應(yīng)用最廣的就是 HDL 語(yǔ)言輸入法，利用文本描述設(shè)計(jì)，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(jī)等表達(dá)方式，主要用于簡(jiǎn)單的小型設(shè)計(jì)。而在中大型工程中，主要使用行為 HDL，其主流語(yǔ)言是 Verilog HDL 和 VHDL。這兩種語(yǔ)言都是美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的標(biāo)準(zhǔn)，其共同的突出特點(diǎn)有：語(yǔ)言與芯片工藝無(wú)關(guān)，利于自頂向下設(shè)計(jì)，便于模塊的劃分與移植，可移植性好，具有很強(qiáng)的邏輯描述和仿真功能，而且輸入效率很高。除了這 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言外，還有廠商自己的語(yǔ)言。也可以用 HDL 為主，原理圖為輔的混合設(shè)計(jì)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(duì)用戶所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證，此時(shí)的仿真沒(méi)有延遲信息，僅對(duì)初步的功能進(jìn)行檢測(cè)。仿真前，要先利用波形編輯器和 HDL 等建立波形文件和測(cè)試向量（即將所關(guān)心的輸入信號(hào)組合成序列），仿真結(jié)果將會(huì)生成報(bào)告文件和輸出信號(hào)波形，從中便可以觀察各個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的變化。如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則返回設(shè)計(jì)修改邏輯設(shè)計(jì)。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(jí)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(biāo)與要求優(yōu)化所生成的邏輯連接，使層次設(shè)計(jì)平面化，供 FPGA 布局布線軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。就目前的層次來(lái)看，綜合優(yōu)化（Synthesis）是指將設(shè)計(jì)輸入編譯成由與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、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(shí)的門(mén)級(jí)電路。真實(shí)具體的門(mén)級(jí)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(biāo)準(zhǔn)門(mén)級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來(lái)產(chǎn)生。為了能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的門(mén)級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)表，HDL 程序的編寫(xiě)必須符合特定綜合器所要求的風(fēng)格。由于門(mén)級(jí)結(jié)構(gòu)、RTL 級(jí)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(jí)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(gè) FPGA 廠家自己推出的綜合開(kāi)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(shè)計(jì)一致。在仿真時(shí)，把綜合生成的標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)文件反標(biāo)注到綜合仿真模型中去，可估計(jì)門(mén)延時(shí)帶來(lái)的影響。但這一步驟不能估計(jì)線延時(shí)，因此和布線后的實(shí)際情況還有一定的差距，并不十分準(zhǔn)確。目前的綜合工具較為成熟，對(duì)于一般的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)意圖不符，則需要回溯到綜合后仿真來(lái)確認(rèn)問(wèn)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(shè)計(jì)流程

6、 實(shí)現(xiàn)與布局布線

布局布線可理解為利用實(shí)現(xiàn)工具把邏輯映射到目標(biāo)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(jìn)行連線，并產(chǎn)生相應(yīng)文件（如配置文件與相關(guān)報(bào)告），實(shí)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(guò)程。布局將邏輯網(wǎng)表中的硬件原語(yǔ)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?fù)浣Y(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(gè)元件。目前，F(xiàn)PGA 的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，特別是在有時(shí)序約束條件時(shí)，需要利用時(shí)序驅(qū)動(dòng)的引擎進(jìn)行布局布線。布線結(jié)束后，軟件工具會(huì)自動(dòng)生成報(bào)告，提供有關(guān)設(shè)計(jì)中各部分資源的使用情況。由于只有 FPGA 芯片生產(chǎn)商對(duì)芯片結(jié)構(gòu)最為了解，所以布局布線必須選擇芯片開(kāi)發(fā)商提供的工具。

7、 時(shí)序仿真

時(shí)序仿真，也稱為后仿真，是指將布局布線的延時(shí)信息反標(biāo)注到設(shè)計(jì)網(wǎng)表中來(lái)檢測(cè)有無(wú)時(shí)序違規(guī)（即不滿足時(shí)序約束條件或器件固有的時(shí)序規(guī)則，如建立時(shí)間、保持時(shí)間等）現(xiàn)象。時(shí)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(shí)際工作情況。由于不同芯片的內(nèi)部延時(shí)不一樣，不同的布局布線方案也給延時(shí)帶來(lái)不同的影響。因此在布局布線后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)和各個(gè)模塊進(jìn)行時(shí)序仿真，分析其時(shí)序關(guān)系，估計(jì)系統(tǒng)性能，以及檢查和消除競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)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(jí)仿真與驗(yàn)證

板級(jí)仿真主要應(yīng)用于高速電路設(shè)計(jì)中，對(duì)高速系統(tǒng)的信號(hào)完整性、電磁干擾等特征進(jìn)行分析，一般都以第三方工具進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。

9、 芯片編程與調(diào)試

設(shè)計(jì)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(shí)序和編程算法等方面。邏輯分析儀（Logic Analyzer，LA）是 FPGA 設(shè)計(jì)的主要調(diào)試工具，但需要引出大量的測(cè)試管腳，且 LA 價(jià)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(lái)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(shí)用價(jià)值。

基于 FPGA 的 SOC 設(shè)計(jì)方法

目前，由于 FPGA 性能提升價(jià)格下降，同時(shí)嵌入越來(lái)越多內(nèi)核，很自然地，很多 IC 設(shè)計(jì)公司將 FPGA 用于 ASIC 原型驗(yàn)證，把 FPGA 可編程的優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)部分組成。

SOC 平臺(tái)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(chǔ)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(yīng)的接口 IP 和外圍設(shè)備。

基于 FPGA 的典型 SOC 開(kāi)發(fā)流程為：

1、芯片內(nèi)的考慮

從設(shè)計(jì)生成開(kāi)始，設(shè)計(jì)人員需要從硬件 / 軟件協(xié)同驗(yàn)證的思路入手，以找出只能在系統(tǒng)集成階段才會(huì)被發(fā)現(xiàn)的軟、硬件缺陷。然后選擇合適的芯片以及開(kāi)發(fā)工具，在綜合過(guò)程得到優(yōu)化，隨后進(jìn)行精確的實(shí)現(xiàn)，以滿足實(shí)際需求。由于設(shè)計(jì)規(guī)模越來(lái)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(shí)序，需要在布局布線后進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

2、板級(jí)驗(yàn)證

在芯片設(shè)計(jì)完畢后，需要再進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證，以便在印刷電路板（PCB） 上保證與最初設(shè)計(jì)功能一致。因此，PCB 布局以及信號(hào)完整性測(cè)試應(yīng)被納入設(shè)計(jì)流程。由于芯片內(nèi)設(shè)計(jì)所做的任何改變都將反映在下游的設(shè)計(jì)流程中，各個(gè)過(guò)程之間的數(shù)據(jù)接口和管理也必須是無(wú)誤的。預(yù)計(jì) SOC 系統(tǒng)以及所必須的額外過(guò)程將使數(shù)據(jù)的大小成指數(shù)增長(zhǎng)，因此，管理各種數(shù)據(jù)集本身是急劇挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

聽(tīng)過(guò)了太多國(guó)產(chǎn) EDA 工具、FPGA 芯片的報(bào)道，很全面，也都能站在國(guó)家戰(zhàn)略，資本市場(chǎng)等多個(gè)宏觀角度去思考、分析問(wèn)題。但我想，對(duì)于普通開(kāi)發(fā)者而言，我們當(dāng)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(shuō)：

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

2 簡(jiǎn)單的邏輯就導(dǎo)致布線的擁塞？

3 在線邏輯分析儀抓不到想要的信號(hào)？

以上是MYMINIEYE 的 Mill 和高云半導(dǎo)體市場(chǎng)副總裁 Paul（黃?。募夹g(shù)的角度聊聊 EDA 工具和 FPGA 芯片。Mill 有著多年的 FPGA 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，而 Paul 也在國(guó)內(nèi)外原廠有著多年的技術(shù)及市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，因此，從開(kāi)發(fā)者和原廠的角度一起探討 FPGA 開(kāi)發(fā)核心技術(shù)問(wèn)題，說(shuō)出 FPGA 原廠背后的有趣故事。

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