技術(shù)牛人經(jīng)驗談:FPGA開發(fā)基本流程及注意事項

本文是根據(jù)FPGA技術(shù)牛人歷年來的經(jīng)驗所總結(jié)出來的關(guān)于FPGA開發(fā)基本流程及注意事項基本介紹，希望給初學(xué)者丁點幫助。眾所周知，FPGA是可編程芯片，因此FPGA的設(shè)計方法包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。硬件包括FPGA芯片電路、 存儲器、輸入輸出接口電路以及其他設(shè)備，軟件即是相應(yīng)的HDL程序以及嵌入式C程序。

　　由于目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到SOC階段，即集成系統(tǒng)（Integrated System）階段，相對于集成電路（IC）的設(shè)計思想有著革命性的變化。SOC是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它將一個完整產(chǎn)品的功能集成在一個芯片上，包括核心處理器、存儲單元、硬件加速單元以及眾多的外部設(shè)備接口等，具有設(shè)計周期長、實現(xiàn)成本高等特點，因此其設(shè)計方法必然是自頂向下的從系統(tǒng)級到功能模塊的軟、硬件協(xié)同設(shè)計，達到軟、硬件的無縫結(jié)合。

　　這么龐大的工作量顯然超出了單個工程師的能力，因此需要按照層次化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法來實施。首先由總設(shè)計師將整個軟件開發(fā)任務(wù)劃分為若干個可操作的模塊，并對其接口和資源進行評估，編制出相應(yīng)的行為或結(jié)構(gòu)模型，再將其分配給下一層的設(shè)計師。這就允許多個設(shè)計者同時設(shè)計一個硬件系統(tǒng)中的不同模塊，并為自己所設(shè)計的模塊負責；然后由上層設(shè)計師對下層模塊進行功能驗證。

　　自頂向下的設(shè)計流程從系統(tǒng)級設(shè)計開始，劃分為若干個二級單元，然后再把各個二級單元劃分為下一層次的基本單元。一直下去，直到能夠使用基本模塊或者IP核直接實現(xiàn)為止，流行的FPGA開發(fā)工具都提供了層次化管理，可以有效地梳理錯綜復(fù)雜的層次，能夠方便地查看某一層次模塊的源代碼以修改錯誤。

　　在工程實踐中，還存在軟件編譯時長的問題。由于大型設(shè)計包含多個復(fù)雜的功能模塊，其時序收斂與仿真驗證復(fù)雜度很高，為了滿足時序指標的要求，往往需要反復(fù)修改源文件，再對所修改的新版本進行重新編譯，直到滿足要求為止。這里面存在兩個問題：首先，軟件編譯一次需要長達數(shù)小時甚至數(shù)周的時間，這是開發(fā)所不能容忍的；其次，重新編譯和布局布線后結(jié)果差異很大，會將已滿足時序的電路破壞。因此必須提出一種有效提高設(shè)計性能，繼承已有結(jié)果、便于團隊化設(shè)計的軟件工具。FPGA廠商意識到這類需求，由此開發(fā)出了相應(yīng)的邏輯鎖定和增量設(shè)計的軟件工具。例如，賽靈思公司的解決方案就是PlanAhead。

　　Planahead允許高層設(shè)計者為不同的模塊劃分相應(yīng)FPGA芯片區(qū)域，并允許底層設(shè)計者在所給定的區(qū)域內(nèi)獨立地進行設(shè)計、實現(xiàn)和優(yōu)化，等各個模塊都正確后，再進行設(shè)計整合。如果在設(shè)計整合中出現(xiàn)錯誤，單獨修改即可，不會影響到其它模塊。Planahead將結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法、團隊化合作設(shè)計方法以及重用繼承設(shè)計方法三者完美地結(jié)合在一起，有效地提高了設(shè)計效率，縮短了設(shè)計周期。

　　不過從其描述可以看出，新型的設(shè)計方法對系統(tǒng)頂層設(shè)計師有很高的要求。在設(shè)計初期，他們不僅要評估每個子模塊所消耗的資源，還需要給出相應(yīng)的時序關(guān)系；在設(shè)計后期，需要根據(jù)底層模塊的實現(xiàn)情況完成相應(yīng)的修訂。

典型FPGA開發(fā)流程與注意事項

　　FPGA的設(shè)計流程就是利用EDA開發(fā)軟件和編程工具對FPGA芯片進行開發(fā)的過程。典型FPGA的開發(fā)流程一般如圖4.1.1所示，包括功能定義/器件選型、設(shè)計輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實現(xiàn)、布線后仿真、板級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)計項目開始之前，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行權(quán)衡，選擇合適的設(shè)計方案和合適的器件類型。一般都采用自頂向下的設(shè)計方法，把系統(tǒng)分成若干個基本單元，然后再把每個基本單元劃分為下一層次的基本單元，一直這樣做下去，直到可以直接使用EDA元件庫為止。

　　2.設(shè)計輸入

　　設(shè)計輸入是將所設(shè)計的系統(tǒng)或電路以開發(fā)軟件要求的某種形式表示出來，并輸入給EDA工具的過程。常用的方法有硬件描述語言（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中調(diào)出來，畫出原理圖。這種方法雖然直觀并易于仿真，但效率很低，且不易維護，不利于模塊構(gòu)造和重用。更主要的缺點是可移植性差，當芯片升級后，所有的原理圖都需要作一定的改動。目前，在實際開發(fā)中應(yīng)用最廣的就是HDL語言輸入法，利用文本描述設(shè)計，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)機等表達方式，主要用于簡單的小型設(shè)計。而在中大型工程中，主要使用行為HDL，其主流語言是Verilog HDL和VHDL。這兩種語言都是美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）的標準，其共同的突出特點有：語言與芯片工藝無關(guān)，利于自頂向下設(shè)計，便于模塊的劃分與移植，可移植性好，具有很強的邏輯描述和仿真功能，而且輸入效率很高。除了這IEEE標準語言外，還有廠商自己的語言。也可以用HDL為主，原理圖為輔的混合設(shè)計方式，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用戶所設(shè)計的電路進行邏輯功能驗證，此時的仿真沒有延遲信息，僅對初步的功能進行檢測。仿真前，要先利用波形編輯器和HDL等建立波形文件和測試向量（即將所關(guān)心的輸入信號組合成序列），仿真結(jié)果將會生成報告文件和輸出信號波形，從中便可以觀察各個節(jié)點信號的變化。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則返回設(shè)計修改邏輯設(shè)計。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)目標與要求優(yōu)化所生成的邏輯連接，使層次設(shè)計平面化，供FPGA布局布線軟件進行實現(xiàn)。就目前的層次來看，綜合優(yōu)化（Synthesis）是指將設(shè)計輸入編譯成由與門、或門、非門、RAM、觸發(fā)器等基本邏輯單元組成的邏輯連接網(wǎng)表，而并非真實的門級電路。真實具體的門級電路需要利用FPGA制造商的布局布線功能，根據(jù)綜合后生成的標準門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來產(chǎn)生。為了能轉(zhuǎn)換成標準的門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表，HDL程序的編寫必須符合特定綜合器所要求的風格。由于門級結(jié)構(gòu)、RTL級的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FPGA廠家自己推出的綜合開發(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)計一致。在仿真時，把綜合生成的標準延時文件反標注到綜合仿真模型中去，可估計門延時帶來的影響。但這一步驟不能估計線延時，因此和布線后的實際情況還有一定的差距，并不十分準確。目前的綜合工具較為成熟，對于一般的設(shè)計可以省略這一步，但如果在布局布線后發(fā)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計意圖不符，則需要回溯到綜合后仿真來確認問題之所在。在功能仿真中介紹的軟件工具一般都支持綜合后仿真。

　　6. 實現(xiàn)與布局布線

　　布局布線可理解為利用實現(xiàn)工具把邏輯映射到目標器件結(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行連線，并產(chǎn)生相應(yīng)文件（如配置文件與相關(guān)報告），實現(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程。布局將邏輯網(wǎng)表中的硬件原語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)布局的拓撲結(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元件。目前，F(xiàn)PGA的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，特別是在有時序約束條件時，需要利用時序驅(qū)動的引擎進行布局布線。布線結(jié)束后，軟件工具會自動生成報告，提供有關(guān)設(shè)計中各部分資源的使用情況。由于只有FPGA芯片生產(chǎn)商對芯片結(jié)構(gòu)最為了解，所以布局布線必須選擇芯片開發(fā)商提供的工具。

　　7.時序仿真

　　時序仿真，也稱為后仿真，是指將布局布線的延時信息反標注到設(shè)計網(wǎng)表中來檢測有無時序違規(guī)（即不滿足時序約束條件或器件固有的時序規(guī)則，如建立時間、保持時間等）現(xiàn)象。時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際工作情況。由于不同芯片的內(nèi)部延時不一樣，不同的布局布線方案也給延時帶來不同的影響。因此在布局布線后，通過對系統(tǒng)和各個模塊進行時序仿真，分析其時序關(guān)系，估計系統(tǒng)性能，以及檢查和消除競爭冒險是非常有必要的。在功能仿真中介紹的軟件工具一般都支持綜合后仿真。

　　8. 板級仿真與驗證

　　板級仿真主要應(yīng)用于高速電路設(shè)計中，對高速系統(tǒng)的信號完整性、電磁干擾等特征進行分析，一般都以第三方工具進行仿真和驗證。

　　9.芯片編程與調(diào)試

　　設(shè)計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、編程時序和編程算法等方面。邏輯分析儀（Logic Analyzer，LA）是FPGA設(shè)計的主要調(diào)試工具，但需要引出大量的測試管腳，且LA價格昂貴。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，具有很高的實用價值。