基于FPGA的混合信號驗證流程

隨著SoC設(shè)計上的混合信號組件數(shù)量增加了，基本的功能驗證對于硅初期能否成功也愈來愈重要。FPGA在系統(tǒng)整合難題上加入了一個新特點。在核心上，此新范例-可編程系統(tǒng)單芯片(programmable system chip,PSC)整合FPGA電閘，內(nèi)嵌快閃和模擬功能在單一的可程序化組件中，提供了具真正程序能力的理想低成本路徑，而且系統(tǒng)設(shè)計者可以用來快速地設(shè)計和研發(fā)復(fù)雜的混合信號系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵準(zhǔn)則

　　如業(yè)界分析師所言，FPGA正成為現(xiàn)代高度整合的SoC系統(tǒng)選擇的工具。原因很明顯。由于硅架構(gòu)是預(yù)先組裝的，因此沒有NRE成本，且任何可能影響產(chǎn)品性能或裝置可靠度的制程變化都應(yīng)已解決。芯片整體作業(yè)中大部分的復(fù)雜度(包括寄生RLC對時序的影響等)特性都已完整調(diào)整，且規(guī)格上的數(shù)據(jù)已考慮到這些。因此所有的驗證循環(huán)都可以致力于設(shè)計的適當(dāng)功能性上。下一個需要的是可以盡量減少特征化和強化設(shè)計功能性目標(biāo)時間的驗證方法。此項減少是透過組合智能型模型(抽出不會影響整體系統(tǒng)行為的較不重要細(xì)節(jié))將所產(chǎn)生的模型置入已完全了解的流程中。

　　復(fù)雜度增加

　　現(xiàn)場可程序化是系統(tǒng)整合全新的一面。此新的整合層級較深入且有以下幾個優(yōu)點：系統(tǒng)設(shè)計者可移除系統(tǒng)的許多組件而將該功能整合在單一PSB中，大幅簡化系統(tǒng)設(shè)計;組件大幅減少就會有明顯小許多的尺寸;且微控制器核心的整合會免除主處理器的周邊任務(wù)，降低系統(tǒng)處理的工作量要求。

　　新一代的PSC是第一個如此進(jìn)入可程序化邏輯市場的代表。它是第一個以FPGA提供的硬件可重組態(tài)性的基本好處結(jié)合閃存、混合信號功能性以及微控制器技術(shù)。日益復(fù)雜的內(nèi)容開啟了更小的整合裝置之許多可能，但FPGA設(shè)計者也立即有了額外的挑戰(zhàn)，其中一項就是對付混合信號設(shè)計的復(fù)雜性。很少FPGA設(shè)計者有機會在這些領(lǐng)域中取得深刻的經(jīng)驗，因此什么是管理這些計劃的復(fù)雜度并確保它們第一次就成功的方法呢?

　　此一跨范圍的專業(yè)技術(shù)必須包裹在工具流程中。工具必須做得夠聰明來管理重要細(xì)節(jié)(如接口、組態(tài)和初始化需求)以便連結(jié)不同的組件并放在同一作業(yè)中。理想上此新系統(tǒng)功能性的復(fù)雜設(shè)計內(nèi)容匯集基本上和傳統(tǒng)工具流程完全一樣的工具流程。

　　智能型流程

　　不僅是ASIC/FPGA設(shè)計者對系統(tǒng)/模擬設(shè)計的實際經(jīng)驗很少，大部分的系統(tǒng)設(shè)計者也同樣沒有數(shù)字邏輯的設(shè)計經(jīng)驗。因此，日益純熟的設(shè)計內(nèi)容需要智能型的工具流程。這意味著工具有智能去組態(tài)和啟動不同的系統(tǒng)組件，正確地將它們結(jié)合，并將令人卻步的所有跨范圍復(fù)雜度驗證任務(wù)弄簡單給工程師。在這種情況下，他們就必須產(chǎn)生一個FPGA。從前端(和實作步驟相反)開始，此復(fù)雜性就在3個重要區(qū)域中被管理：組件模型、設(shè)計實例(instantiation)以及驗證流程。

　　組件模型

　　當(dāng)制作以硅為目標(biāo)的組件模型時，對于細(xì)節(jié)組件行為對照驗證系統(tǒng)正確作業(yè)所需的時間的取舍需謹(jǐn)慎為之。這在PLD架構(gòu)的模擬組件中尤其重要，依此零件的預(yù)先組裝天性即使是已解決的問題還是會被呈現(xiàn)。在最高層級的抽取中，所有的模擬組件都是依據(jù)數(shù)字組件將嚴(yán)格的數(shù)字行為規(guī)范覆蓋在模擬行為模式上。竅門是抽出組件的完整行為細(xì)節(jié)，只留下能決定符合特定設(shè)計目標(biāo)系統(tǒng)所需的功能。在PSC流程方面，依據(jù)實際硅的特征化數(shù)據(jù)的規(guī)格上具有模擬功能的電子特征，如信號整合度、A/D傳輸功能以及耦合效應(yīng)等。包括輸入預(yù)先縮放、差動增益、遲滯、A/D控制功能及輸出行動等基本的模擬交換行為會被抽出，并放入適合在數(shù)字仿真器中特征化系統(tǒng)層級行為的粗略數(shù)字行為模式中。

　　設(shè)計實例

　　此一復(fù)雜且純熟系統(tǒng)的設(shè)計實例需要有足夠智能讓設(shè)計者快速行動的靈活設(shè)計產(chǎn)生環(huán)境?；旧洗?，可達(dá)目標(biāo)裝置的邏輯資源所允許的最大值。這些受到自身繪圖組態(tài)器支持的非常靈活資源是可以擷取、組態(tài)、并例舉在設(shè)計中的，全都是非常簡單的pick-and-click動作，不需要直接HDL編碼。同時工具鏈會創(chuàng)造骨架，將想要的資源互連，并自動創(chuàng)造必要的控制機制。

　　智能的以GUI為基礎(chǔ)的工具是在不需要直接使用者引導(dǎo)的背景下達(dá)成這些步驟的。這些工具的焦點都在容易使用，并提供快速的設(shè)計發(fā)展。當(dāng)然它并不排除傳統(tǒng)的 HDL代碼發(fā)展，后者是熟悉HDL的使用者所不可或缺的，他們在計算電閘時需要最大的最佳化設(shè)計，或是需要廣泛的設(shè)計客制化。驗證

　　傳統(tǒng)的混合信號ASIC發(fā)展遵循由下而上的方法。它牽涉到兩個不同的小組：一個研發(fā)數(shù)字部分的寫入RTL代碼，而另一個在晶體管層級實作模擬電路。在驗證方面，設(shè)計者一般使用Verilog-AMS或VHDL-AMS的高層級全芯片仿真以驗證系統(tǒng)層級的行為，如功能、性能和遲滯等。這需要和最終電路關(guān)系密切的模擬行為模式。然而驗證接口層級議題、時序、信號整合度和電源等晶體管層級的模擬還是需要晶體管層級的模擬。這也可以幫助避免模型和電路之間的不準(zhǔn)確性或不當(dāng)關(guān)聯(lián)。最近幾年出現(xiàn)了新等級的工具，允許混合信號共同仿真環(huán)境在指定的SoC中驗證混合信號組件。

　　在PSC流程中，混合信號仿真是沒有必要的。對待組件內(nèi)的模擬功能像開架式分離組件一般。就像組件廠商一樣，數(shù)據(jù)規(guī)格所提供的模擬功能電子特征的許多信息依據(jù)實際硅的特征化數(shù)據(jù)。抽出詳細(xì)的模擬行為后所產(chǎn)生的模式在全數(shù)字仿真器(如ModelSim等)中，就完全可以達(dá)到系統(tǒng)層級的驗證。模擬輸入是以真實或位向量值呈現(xiàn)在仿真測試基準(zhǔn)中，一般是以測試基準(zhǔn)工具產(chǎn)生的。

　　有了此層級的抽出，針對混合信號FPGA所提供的基本驗證方法和沿著標(biāo)準(zhǔn)處理的數(shù)字FPGA基本上是相同的。

　　典型的PSC設(shè)計者會在設(shè)計過程中執(zhí)行以下步驟：在Libero中產(chǎn)生并整合系統(tǒng)功能區(qū)塊;透過Synplify或Synplify PRO合成設(shè)計;利用ModelSim驗證設(shè)計;利用Libero Designer將設(shè)計編輯在Fusion PSC中以利后端實作;在ModelSim中利用后批注(back-annotated)時序再次驗證。

　　此基本流程讓Fusion使用者可以利用經(jīng)證實的方法，在設(shè)計過程中的任何階段驗證混合信號PSC的系統(tǒng)層級行為，就宛如全數(shù)字芯片般簡單。此流程依據(jù)客戶設(shè)計中整合其余數(shù)字系統(tǒng)的某個模擬輸入組合執(zhí)行仿真系統(tǒng)層級行為必要的工作。