FPGA設計工具淺談

作為一個負責FPGA企業(yè)市場營銷團隊工作的人，我不得不說，由于在工藝技術方面的顯著成就以及硅芯片設計領域的獨創(chuàng)性，FPGA正不斷實現(xiàn)其支持片上系統(tǒng)設計的承諾。隨著每一代新產(chǎn)品的推出，FPGA在系統(tǒng)中具有越來來越多的功能，可作為協(xié)處理器、DSP 引擎以及通信平臺等，在某些應用領域甚至還可用作完整的片上系統(tǒng)。

因此，在摩爾定律的作用下，F(xiàn)PGA產(chǎn)品的門數(shù)量不斷增加，性能與專門功能逐漸加強，使得FPGA在電子系統(tǒng)領域能夠取代此前只有ASIC和ASSP才能發(fā)揮的作用。不過，說到底，F(xiàn)PGA必須要有適當?shù)脑O計工具輔助，讓設計人員充分發(fā)揮其作用，否則再好的產(chǎn)品也毫無意義。

毫無疑問，隨著FPGA硅芯片的更新?lián)Q代、推陳出新，F(xiàn)PGA工具在改進綜合運行時間、編譯時間以及布局布線算法方面取得重大進步的同時，實現(xiàn)了更低的功耗和更高的性能。不過，上述進步基本沒有體現(xiàn)在嵌入式軟件方面，而且DSP設計人員或系統(tǒng)架構工程師并不熟悉FPGA設計工作。盡管FPGA的性能和定制要優(yōu)于MPU和ASSP，但許多設計團隊由于不熟悉 FPGA設計，仍然選擇MPU或ASSP。這種情況真的不該埋怨設計團隊，畢竟MPU或ASSP的設計工作要簡便快捷一些，而且學習新的設計技術需要時間，導致設計團隊的設計周期延長。若想幫助FPGA用戶獲得成功，就必須實現(xiàn)設計工作的自動化，但又不能強行定義用戶的設計流程。

從另一個角度來看，要想進一步推廣FPGA，就需要在現(xiàn)有VHDL和Verilog設計人員的基礎上進一步滿足嵌入式軟件以及DSP等其他設計領域的需求和設計方法要求。這些設計人員有自己的具體要求，需要不同的設計方法和語言。應構建一個適當?shù)钠脚_，使 FPGA廠商及其第三方生態(tài)合作伙伴能夠在此基礎上滿足具體應用及市場的需求。

例如，隨著最新Virtex-6與Spartan-6 FPGA系列產(chǎn)品的推出，賽靈思開始向客戶推薦“目標設計平臺”的理念。

目標設計平臺在充分考慮到客戶設計進程和成功需求的基礎上集成了五大關鍵組件：FPGA器件、IP核、采用業(yè)界驗證方法的設計環(huán)境、強大的參考設計和可擴展的開發(fā)板和套件。作為上述方案的一部分，我們還優(yōu)化了工具，旨在為邏輯、嵌入式、DSP以及系統(tǒng)級設計等特定設計領域提供所需的各種工具和IP，確保提高設計團隊的工作效率。邏輯設計人員自然要確保獲得含有所有傳統(tǒng)FPGA工具的完整RTL設計流程，以滿足高級平面布置、在線驗證以及漸增實施的需求。不過，F(xiàn)PGA廠商需要從其他各領域設計人員的切實需求出發(fā)，以便使嵌入式與DSP設計人員以及系統(tǒng)架構師能將設計工作的各方面聯(lián)系在一起，高效地使用可編程邏輯。

FPGA 廠商多年來一直支持嵌入式和數(shù)字處理技術的發(fā)展，并目睹了市場的巨大變革。尤其是過去兩年半以來，我們看到了平均有20%的嵌入式設計客戶正在使用一個以上的處理器。過去，客戶面臨的挑戰(zhàn)主要是如何自己獨立完成設計工作，而現(xiàn)在，必須為客戶提供可簡化系統(tǒng)生成的更加自動化的設計流程，充分發(fā)揮多處理器的作用。

嵌入式設計人員需要一種新的設計方法，讓他們能夠快速配置硬件平臺，并創(chuàng)建包括適當?shù)膸臁⒆詣由傻脑O備驅動程序及完整開發(fā)板支持套件的定制軟件設計方案。這種高效環(huán)境能加速開發(fā)進程，節(jié)約開發(fā)時間，從而避免容易出錯的手動操作。此外，設計人員還要能夠創(chuàng)建自己的定制處理平臺，將外部功能集成到FPGA中，從而降低系統(tǒng)成本。這可幫助他們在系統(tǒng)特性與尺寸間，以及軟／硬件特性間實現(xiàn)最佳平衡，從而實現(xiàn)最高性價比。

下面就來談談DSP設計流程。為了幫助在FPGA中實施復雜算法的算法開發(fā)人員，我們要為設計人員提供高度自動化的流程，而且即便設計人員不熟悉硬件描述語言，也不影響設計工作。設計人員應當在整體系統(tǒng)開發(fā)流程早期階段就能使用DSP設計環(huán)境來開發(fā)高級算法的硬件解決方案，或組裝全套DSP 系統(tǒng)，便于生產(chǎn)。

DSP設計流程通常包括以下步驟：

● 用The MathWorks推出的業(yè)界標準工具配合賽靈思的System Generator與AccelDSP 綜合工具開發(fā)并驗證硬件模型。

● 生成HDL位和周期仿真精確的電路圖，也就是說，其行為確保符合原始模型中的功能。

● 設計綜合并生成比特流，用于 FPGA的編程?，F(xiàn)在FPGA設計人員無須將DSP工程師或系統(tǒng)架構師的設計方案轉變?yōu)镠DL，從而避免了既耗時且容易出錯的步驟。

在本模型中，設計人員可使用過濾器，過濾器的系數(shù)需要適應于即將通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，因此我們可通過共享存儲器向過濾器添加處理器組件。設計人員還能在系統(tǒng)生成器中調用軟件開發(fā)套件，編寫一些C代碼，以便根據(jù)數(shù)據(jù)更新系數(shù)，并編輯整個模塊，將其下載到開發(fā)板上進行實時調試，仍用 SimuLink或MATLAB測試基準實現(xiàn)硬件協(xié)同仿真。最后，如需要修改某些C 代碼，設計人員可即時進行修改，且無須對設計方案進行再編譯。

系統(tǒng)架構工程師的角色就是完成整個設計工作，根據(jù)設計方案的復雜程度，他們可能需要在嵌入式、DSP和 RTL等領域跨領域工作。這時，F(xiàn)PGA廠商就需要提供系統(tǒng)級和RTL級工具。

系統(tǒng)設計的理念需要集成不同領域的技術知識，在FPGA中更好地利用資源。隨著應用對DSP功能的依賴程度越來越高，我們可讓處理器充分利用加速器的作用，從而大幅提高性能。事實上，F(xiàn)PGA專用系統(tǒng)設計的一大優(yōu)勢就在于它能執(zhí)行系統(tǒng)分區(qū)，控制軟硬件實施的平衡。對許多用戶來說，已經(jīng)沒必要對低級HDL語言進行算法優(yōu)化。

FPGA為設計、實施和修改片上系統(tǒng)級硬件提供了高度的靈活性，在目前全球產(chǎn)業(yè)面臨巨大壓力的情況下，這種靈活性對設計人員尤為重要，而且正不斷服務于更多的產(chǎn)業(yè)、公司和工程師。甚至在產(chǎn)品的設計階段，電子系統(tǒng)的設計人員就面臨著不斷加劇的商業(yè)挑戰(zhàn)和日益苛刻的產(chǎn)品要求，所以必須利用 FPGA來解決難題，否則就難以工作。FPGA廠商要與合作伙伴一道致力于提供新的設計方法，幫助客戶跟上快速發(fā)展的業(yè)務和產(chǎn)品要求的步伐，不斷實現(xiàn)進步。不僅要滿足FPGA硅芯片的發(fā)展要求，還要滿足相關工具發(fā)展的要求，從而提供更加以市場為導向的、用戶更加友好的設計體驗。