技術牛人經(jīng)驗談:FPGA開發(fā)基本流程及注意事項

本文是根據(jù)FPGA技術牛人歷年來的經(jīng)驗所總結(jié)出來的關于FPGA開發(fā)基本流程及注意事項基本介紹，希望給初學者丁點幫助。眾所周知，FPGA是可編程芯片，因此FPGA的設計方法包括硬件設計和軟件設計兩部分。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備，軟件即是相應的HDL程序以及嵌入式C程序。

　　由于目前微電子技術已經(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）的設計思想有著革命性的變化。SOC是一個復雜的系統(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備接口等，具有設計周期長、實現(xiàn)成本高等特點，因此其設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)化的設計方法來實施。首先由總設計師將整個軟件開發(fā)任務劃分為若干個可操作的模塊，并對其接口和資源進行評估，編制出相應的行為或結(jié)構(gòu)模型，再將其分配給下一層的設計師。這就允許多個設計者同時設計一個硬件系統(tǒng)中的不同模塊，并為自己所設計的模塊負責；然后由上層設計師對下層模塊進行功能驗證。

　　自頂向下的設計流程從系統(tǒng)級設計開始，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。由于大型設計包含多個復雜的功能模塊，其時序收斂與仿真驗證復雜度很高，為了滿足時序指標的要求，往往需要反復修改源文件，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計性能，繼承已有結(jié)果、便于團隊化設計的軟件工具。FPGA廠商意識到這類需求，由此開發(fā)出了相應的邏輯鎖定和增量設計的軟件工具。例如，賽靈思公司的解決方案就是PlanAhead。

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

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

典型FPGA開發(fā)流程與注意事項

　　FPGA的設計流程就是利用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)任務要求，如系統(tǒng)的功能和復雜度，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衡，選擇合適的設計方案和合適的器件類型。一般都采用自頂向下的設計方法，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.設計輸入

　　設計輸入是將所設計的系統(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)中應用最廣的就是HDL語言輸入法，利用文本描述設計，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，利于自頂向下設計，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，則返回設計修改邏輯設計。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，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)生相應文件（如配置文件與相關報告），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，提供有關設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

　　板級仿真主要應用于高速電路設計中，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。