EDA技術(shù)與FPGA設計應用

FPGA設計應用及優(yōu)化策略

1.FPGA設計層次分析

FPGA設計包括描述層次及描述領(lǐng)域兩方面內(nèi)容。通常設計描述分為6個抽象層次，從高到低依次為：系統(tǒng)層、算法層、寄存器傳輸層、邏輯層、電路層和版圖層。對每一層又分別有三種不同領(lǐng)域的描述：行為域描述、結(jié)構(gòu)域描述和物理域描述。

系統(tǒng)層是系統(tǒng)最高層次的抽象描述，針對于電子系統(tǒng)整體性能。算法層又稱為行為層，它是在系統(tǒng)級性能分析和結(jié)構(gòu)劃分后對每個模塊的功能描述。算法層所描述的功能、行為最終要用數(shù)字電路來實現(xiàn)。而數(shù)字電路本質(zhì)上可視為由寄存器和組合邏輯電路組成，其中寄存器負責信號存儲，組合邏輯電路負責信號傳輸。寄存器傳輸層描述正是從信號存儲、傳輸?shù)慕嵌热ッ枋稣麄€系統(tǒng)。寄存器和組合邏輯本質(zhì)上是由邏輯門構(gòu)成，邏輯層正是從邏輯門組合及連接角度去描述整個系統(tǒng)。

FPGA各個描述層次及綜合技術(shù)關(guān)系如圖1所示。傳統(tǒng)的綜合工具是將寄存器傳輸級(RTL)的描述轉(zhuǎn)化為門級描述。隨著以行為設計為主要標志的新一代系統(tǒng)設計理論的不斷成熟，能夠?qū)⑾到y(tǒng)行為級描述轉(zhuǎn)化為RTL描述的高層次綜合技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

作為現(xiàn)代集成電路設計的重點與熱點，F(xiàn)PGA設計一般采用自頂向下、由粗到細、逐步求精的方法。設計最頂層是指系統(tǒng)的整體要求，最下層是指具體的邏輯電路實現(xiàn)。自頂向下是將數(shù)字系統(tǒng)的整體逐步分解為各個子系統(tǒng)和模塊，若子系統(tǒng)規(guī)模較大則進一步分解為更小的子系統(tǒng)和模塊，層層分解，直至整個系統(tǒng)中各子模塊關(guān)系合理、便于設計實現(xiàn)為止。

2.VHDL在FPGA設計中的應用

集成電路設計規(guī)模及復雜度不斷增大，用傳統(tǒng)原理圖方法進行系統(tǒng)級芯片設計已不能滿足設計要求，而硬件描述語言(HDL，Hardware Description Language)在進行大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設計時具有諸多優(yōu)勢，因此利用硬件描述語言進行系統(tǒng)行為級設計已成為FPGA與ASIC設計的主流。目前最流行、最具代表性的硬件描述語言是美國國防部(DOD)開發(fā)的VHDL(VHSIC Hardware Description Language)和GDA(Gateway Design Automation)公司開發(fā)的Verilog HDL。

VHSIC代表Very High Speed Integrated Circuit，因此VHDL即甚高速集成電路硬件描述語言。VHDL語法嚴格，1987年即成為IEEE標準，即IEEE STD 1076-1987，1993年進一步修訂成為IEEE STD 1076-1993。

VHDL作為IEEE標準，已得到眾多EDA公司支持，其主要優(yōu)點有：

● 描述能力強，支持系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級和門級三個層次設計;

● 可讀性好、移植性強，其源文件既是程序又是文檔，便于復用和交流;

● 支持自頂向下的設計和基于庫(Library-based)的設計;

● 支持同步、異步及隨機電路的設計;

● 與工藝無關(guān)，生命周期長。

VHDL語言主要應用在行為層和寄存器傳輸層，這兩層可充分發(fā)揮出VHDL面向高層的優(yōu)勢。利用VHDL實現(xiàn)數(shù)字電路的實質(zhì)是利用綜合工具將高層次描述轉(zhuǎn)化為低層次門級描述，其中綜合可分為三個層次：高層次綜合(High-Level Synthesis)、邏輯綜合(Logic Synthesis)和版圖綜合(Layout Synthesis)。