面向FPGA的EDA工具突破復雜性屏障

FPGA器件不僅提供可與許多ASIC器件媲美的運行速度和門電路容量，而且促進了EDA工具在該市場中的發(fā)展。

要點

FPGA 提供單片系統設計需要的功能。

多數 FPGA 廠商提供自己的開發(fā)支持軟件。

靈活地以多個廠商的器件為目標的工程師們需要來自傳統 EDA 廠商的軟件工具?！　“雽w制造技術的進步是 FPGA 普及性提高的主要原因。過去，只要工程師們能夠只使用一塊 PLD 或 FPGA 來實現比較簡單的膠合邏輯電路，使用具有更大靈活性和更低批量生產成本的ASIC 器件就是在 IC 上實現特定功能的唯一解決方法?，F在，FPGA 廠商們正在以 130 納米和 90 納米以及1/2間距尺寸來制造器件。這些器件不僅使設計師能實現需要 100 多萬個邏輯門的電路，而且還能提供豐富的 IP(知識產權)芯核庫，可用以縮短開發(fā)時間，降低成本。而與此同時，利用同樣的 130 納米和 90 納米技術制造的 ASIC 器件，其 NRE(一次性工程)成本卻急劇上升?？梢?，犯一個需要一套新掩模的錯誤，就會輕易付出 25 ～ 100 萬美元的代價，代價大小視錯誤嚴重程度而定。

因此，管理人員經常選擇使用 FPGA 器件，要么是為了實現產品的整個壽命，如果應用系統只需要幾萬個器件的話，要么是為了制造原型產品和提高批量。一旦批量生產表明一個設計很穩(wěn)定，工程師們就可以把該設計移植到 ASIC 器件上。移植一般是很容易的，因為在大多數應用系統中，工程師都不利用器件的現場可編程能力——一度是把這些器件與 PLD 區(qū)分開的主要特點。FPGA 器件之所以有吸引力，乃是因為修改某種實現方法的費用實際上等于工程開發(fā)費用。因此，FPGA器件允許工程師們使用具有吸引力的調試方法尤其是使用在硬件和軟件的集成要求盡可能早地在開發(fā)周期內就有硬件原型的嵌入式系統中。FPGA 結構中沒有標準的微處理器芯核，這曾經嚴重妨礙工程師把這些器件用于嵌入式軟件系統中。但是，從 130 納米工藝節(jié)點開始，Altera 公司和 Xilinx 公司業(yè)已提供了微處理器芯核，ARM 公司也已經使其專為 FPGA 定制的庫中的標準微處理器芯核可供使用。設計師們還需要一個由協處理器和外設 IP 芯核組成的庫，以便利用 FPGA 器件來實現真正的 SOC(單片系統)產品(見附文《嵌入式軟件和 FPGA：為黃金時間做好準備的搭檔》)。

FPGA 廠商目前提供的產品的密度和速度，令人信服地使 IP 廠商把他們的產品移植到 FPGA上。DSP 芯核和圖形顯示芯核正變得可供使用。當然，芯核和專有邏輯塊在器件內部必須互相通信，而工程師們直到最近才利用總線完成了這項任務。所有三種受歡迎的微處理器芯核，即 Altera 公司的 Nios 和 ARM922T(通過與 ARM 公司的許可證協議獲得)以及 Xilinx公司 的 PowerPC(通過與 IBM公司的許可證協議獲得)，都使用標準的總線。但是，在芯核之間傳輸數據和控制信息所需的速度，已促使 Nallatech 公司開發(fā)一種用于 FPGA 的更快速通信方法。

根據 Nallatech 公司系統應用工程師 Craig Sanderson 的說法，系統通信可能要花去系統開發(fā)時間的 80%。面向 FPGA 計算應用系統的 Dimetalk 通信開發(fā)工具，使開發(fā)人員能夠部署利用多個 FPGA 跨越各個系統的分組網絡。設計師可以把接口節(jié)點部署在網絡內的任何部位，也可插入邏輯塊來與外部接口通信。

FPGA要在系統設計中廣泛運用，剩下的最大障礙就是它們的單位成本。即使大批量生產，一個 FPGA 器件的成本也高于用 ASIC 或結構化 ASIC 工藝實現的相同設計。但是，某個部件在制造期間的單位成本，在總體產品成本方程中正在失去其重要意義，而伴隨每一種工藝技術的使用，開發(fā)成本以及與失去市場機會有關的代價正在上升至少一個數量級。同時，ASIC 和 FPGA 之間在器件單位成本方面的差別正在縮小。

廠商提供的工具

自2004年6 月份以來，Actel公司、Altera公司、Lattice公司 和 Xilinx公司 都推出了各自軟件的新版本。所有 FPGA 廠商都把第三方軟件裝入自己的產品中。EDA 廠商為 FPGA 廠商提供各自產品的定制版本，這些定制版本一般都沒有原始工具的全部功能和能力，這是因為 FPGA 廠商可以以相當低的價格提供各自的工具。

Actel公司 的理念是把自己的資源集中用在布局布線的后端流程，這就要求深入而清楚地了解體系架構。Actel公司 在 1994 年率先推出了面向 FPGA 的靜態(tài)時序分析，以幫助設計師在把設計交給芯片制造商之前實現時序收斂。該公司與傳統的 EDA 廠商聯袂提供前端工具，比如 Mentor Graphics 公司的 ModelSim 邏輯仿真器、Synplicity 公司的邏輯綜合 Synplify、Magma 公司用于物理綜合的 Palace。Actel把這些售價為595～2595美元的工具集成在 Libero IDE(集成設計環(huán)境)中。Libero IDE三種配置，視客戶需求而定。面向 FPGA 開發(fā)的設計流程已經變得很復雜了(圖 1)。對于那些更喜歡使用自己的 EDA 工具的設計師而言，Actel 公司的 Designer 包括布局布線工具以及靜態(tài)時序分析產品。

FPGA 設計方法的復雜性類似于 ASIC 設計的復雜性?！　ltera 公司向客戶提供的 Quartus II 有 CD 和網上產品兩種形式。網上產品為用戶提供一份150 天后過期的許可證，并且只支持該公司的部分器件。自成立之日起，Altera 公司就投入了大筆資金來開發(fā)和支持自己的設計工具。它在企業(yè)內部開發(fā) FPGA 開發(fā)流程中的幾乎所有工具，其中包括邏輯綜合工具和物理綜合工具。Altera 公司相信，一個 FPGA 廠商在既開發(fā)新產品的體系結構又開發(fā)新產品的綜合工具時，要比不了解綜合技術時能更好地洞悉優(yōu)化器件結構的最佳方式。邏輯仿真是 Altera公司只使用第三方產品的唯一領域。Quartus II 是Altera公司生產的Mentor Graphics 公司 ModelSim 的翻版，但卻支持 Cadence 公司的 Incisive 仿真平臺。您還可以將 Synplicity 公司和 Synopsys公司 提供的工具與 Quartus II 中的各種工具一起使用。Quartus II 的最新版本引入了時序優(yōu)化功能和資源優(yōu)化功能，以及在用戶設計周期內對用戶進行指導。在調試期間，工程師們也可以在調試期間得到 SignalTap II——一種嵌入式邏輯分析儀查看程序的幫助。可以通過年度訂用許可證方式來獲得 Quartus II 軟件，起價是 2000 美元。

Lattice Semiconductor 公司推出 ispLever 設計工具套件的 4.1 版。它包括可編程邏輯設計從概念到最后實現所需的所有工具。它包括的工具有設計輸入工具、項目管理工具、設計調整工具、布局布線工具、平面規(guī)劃工具、器件編程工具和芯片邏輯分析工具。工程師們可在 Synplicity公司 或 Mentor公司 的綜合產品之間做選擇，而且還可得到一個為基于 Lattice 產品的設計而定制的 ModelSim 版本。Lattice 公司也提供自己的功能仿真器。ispLever 的標價從 995 美元開始。

Xilinx 公司是另一家在 EDA 工具開發(fā)方面投入大量資金的 FPGA 廠商。該公司的 ISE 設計工具有五種配置，你可以從中選擇。Xilinx公司最近用6.3i 版本更新了ISE 開發(fā)環(huán)境，6.3i 版本支持FPGA 用戶的從前端至后端的整個流程。在前端，ISE 包括 Pace 和 ISE Floorplanner 平面規(guī)劃工具。Xilinx 還收購了 Hier Design公司，現在可提供 RTL floorplanner Plan Ahead，可作為 ISE 客戶單獨購買的選件。工程師們可以將 ModelSim 或 Synopsys Verilog 仿真器與ISE一起使用。Project Navigator 是 ISE 的主要作業(yè)管理器，能使用戶配置并驅動設計實現方法。ISE 提供一種由 Xilinx 公司內部開發(fā)的綜合工具，不過 Synplicity公司、Mentor公司 和 Synopsys 公司也提供各種綜合工具，工程師們可以將它們與ISE一起使用。ISE 的五種配置的價格不等，可從網上下載的軟件包是免費的，而ISE Foundation則為2495美元。

第三方工具

曾經有很多年，可編程器件過于簡單，EDA 廠商發(fā)現他們找不到足夠理由把EDA工具推向市場。使用 FPGA 和 PLD 的大多數工程師都是印制電路板開發(fā)人員，他們沒有機會利用那些以 IC 設計為目標的 EDA 工具。FPGA 廠商之所以開發(fā)自己的基于原理圖的工具，乃是因為，即使在今天，印制電路板設計師仍使用原理圖來使設計進入開發(fā)流程。FPGA廠商們不是將 FPGA 工具免費提供給大批量生產的用戶，就是以低于 1000 美元的價格出售。隨著器件越來越復雜，工程師們開始希望先驗證設計，然后再在電路試驗板上加以實現，這是因為使用示波器或邏輯分析儀來調試電路很費時間。現在已并入 Mentor Graphics 公司的Model Technology 公司曾很快進入該市場，目前在 FPGA 驗證領域居統治地位，盡管其它一些 EDA 廠商也在參與該市場。