多種EDA工具的FPGA設(shè)計(jì)方案

2.3 仿真驗(yàn)證

從廣義上講,設(shè)計(jì)驗(yàn)證包括功能與時(shí)序仿真和電路驗(yàn)證。仿真是指使用設(shè)計(jì)軟件包對(duì)已實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行完整測(cè)試,模擬實(shí)際物理環(huán)境下的工作情況。前仿真是指僅對(duì)邏輯功能進(jìn)行測(cè)試模擬,以了解其實(shí)現(xiàn)的功能是否滿足原設(shè)計(jì)的要求,仿真過程沒有加入時(shí)序信息,不涉及具體器件的硬件特性,如延時(shí)特性;而在布局布線后,提取有關(guān)的器件延遲、連線延時(shí)等時(shí)序參數(shù),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的仿真稱為后仿真,它是接近真實(shí)器件運(yùn)行的仿真。

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)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塊連接的布線通道進(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)。通常可分為如下五個(gè)步驟:

(1)轉(zhuǎn)換:將多個(gè)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換并合并到一個(gè)設(shè)計(jì)庫文件中。

(2)映射:將網(wǎng)表中邏輯門映射成物理元素,即把邏輯設(shè)計(jì)分割到構(gòu)成可編程邏輯陣列內(nèi)的可配置邏輯塊與輸入輸出塊及其它資源中的過程。

(3)布局與布線:布局是指從映射取出定義的邏輯和輸入輸出塊,并把它們分配到FPGA內(nèi)部的物理位置,通?；谀撤N先進(jìn)的算法,如最小分割、模擬退火和一般的受力方向張弛等來完成;布線是指利用自動(dòng)布線軟件使用布線資源選擇路徑試著完成所有的邏輯連接。因最新的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具是時(shí)序驅(qū)動(dòng)的,即在器件的布局布線期間對(duì)整個(gè)信號(hào)通道執(zhí)行時(shí)序分析,因此可以使用約束條件操縱布線軟件,完成設(shè)計(jì)規(guī)定的性能要求。在布局布線過程中,可同時(shí)提取時(shí)序信息形成報(bào)告。

(4)時(shí)序提取:產(chǎn)生一反標(biāo)文件,供給后續(xù)的時(shí)序仿真使用。

(5)配置:產(chǎn)生FPGA配置時(shí)所需要的位流文件。

在實(shí)現(xiàn)過程中可以進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置。因其支持增量設(shè)計(jì),可以使其重復(fù)多次布線,且每次布線利用上一次布線信息以使其布線更優(yōu)或達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。在實(shí)現(xiàn)過程中應(yīng)設(shè)置默認(rèn)配置的下載形式,以使后續(xù)位流下載正常。

2.5 時(shí)序分析

在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中,在映射后需要對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)際功能塊的延時(shí)和估計(jì)的布線延時(shí)進(jìn)行時(shí)序分析;而在布局布線后,也要對(duì)實(shí)際布局布線的功能塊延時(shí)和實(shí)際布線延時(shí)進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析。從某種程度來講,靜態(tài)時(shí)序分析可以說是整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)中最重要的步驟,它允許設(shè)計(jì)者詳盡地分析所有關(guān)鍵路徑并得出一個(gè)有次序的報(bào)告,而且報(bào)告中含有其它調(diào)試信息,比如每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的扇出或容性負(fù)載等。靜態(tài)時(shí)序分析器可以用來檢查設(shè)計(jì)的邏輯和時(shí)序,以便計(jì)算各通路性能,識(shí)別可能的蹤跡,檢測(cè)建立和保持時(shí)間的配合,時(shí)序分析器不要求用戶產(chǎn)生輸入激勵(lì)或測(cè)試矢量。雖然Xilinx與Altera在FPGA開發(fā)套件上擁有時(shí)序分析工具,但在擁有第三方專門時(shí)序分析工具的情況下,僅利用FPGA廠家設(shè)計(jì)工具進(jìn)行布局布線,而使用第三方的專門時(shí)序分析工具進(jìn)行時(shí)序分析,一般FPGA廠商在其設(shè)計(jì)環(huán)境下皆有與第三方時(shí)序分析工具的接口。Synopsys公司的PrimeTime是一個(gè)很好的時(shí)序分析工具,利用它可以達(dá)到更好的效果。將綜合后的網(wǎng)表文件保存為db格式,可在PrimeTime環(huán)境下打開。利用此軟件查看關(guān)鍵路徑或設(shè)計(jì)者感興趣的通路的時(shí)序,并對(duì)其進(jìn)行分析,再次對(duì)原來的設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序約束,可以提高工作主頻或減少關(guān)鍵路徑的延時(shí)。與綜合過程相似,靜態(tài)時(shí)序分析也是一個(gè)重復(fù)的過程,它與布局布線步驟緊密相連,這個(gè)操作通常要進(jìn)行多次直到時(shí)序約束得到很好的滿足。

在綜合與時(shí)序仿真過程中交互使用PrimeTime進(jìn)行時(shí)序分析,滿足設(shè)計(jì)要求后即可進(jìn)行FPGA芯片投片前的最終物理驗(yàn)證。

2.6 下載驗(yàn)證

下載是在功能仿真與時(shí)序仿真正確的前提下,將綜合后形成的位流下載到具體的FPGA芯片中,也叫芯片配置。FPGA設(shè)計(jì)有兩種配置形式:直接由計(jì)算機(jī)經(jīng)過專用下載電纜進(jìn)行配置;由外圍配置芯片進(jìn)行上電時(shí)自動(dòng)配置。因FPGA具有掉電信息丟失的性質(zhì),因此可在驗(yàn)證初期使用電纜直接下載位流,如有必要再將其燒錄到配置芯片中(如Xilinx的XC18V系列,Altera的EPC2系列)。使用電纜下載時(shí)有多種下載方式,如對(duì)Xilinx公司的FPGA下載可以使用JTAG Programmer、Hardware Programmer、PROM Programmer三種方式,而對(duì)Altera公司的FPGA可以選擇JTAG方式或Passive Serial方式。因FPGA大多支持IEEE的JTAG標(biāo)準(zhǔn),所以使用芯片上的JTAG口是常用下載方式。

將位流文件下載到FPGA器件內(nèi)部后進(jìn)行實(shí)際器件的物理測(cè)試即為電路驗(yàn)證,當(dāng)?shù)玫秸_的驗(yàn)證結(jié)果后就證明了設(shè)計(jì)的正確性。電路驗(yàn)證對(duì)FPGA投片生產(chǎn)具有較大意義。

3 基于多種EDA工具的FPGA設(shè)計(jì)

仿真工具M(jìn)odelsim與綜合工具FPGA Compiler II及布線工具Foundation Series或Quartus相配合實(shí)現(xiàn)FPGA設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所示。