FPGA仿真器與定制硅仿真器的區(qū)別

10多年以來(lái)，我一直堅(jiān)定地支持基于FPGA的硬件仿真系統(tǒng)，并在2013年一直不遺余力地宣傳其優(yōu)勢(shì)。自那以后，我已成為精通各類硬件仿真專業(yè)知識(shí)的顧問，但現(xiàn)在來(lái)評(píng)論FPGA硬件仿真系統(tǒng)與定制硅硬件仿真系統(tǒng)之間的區(qū)別似乎有些姍姍來(lái)遲。

商用FPGA硬件仿真器與定制硅硬件仿真器之間的根本區(qū)別在于映射被測(cè)設(shè)計(jì)(DUT)的核心單元。顧名思義，定制硅硬件仿真器是基于定制器件而造，不可用于商業(yè)用途。定制硅硬件仿真器就是采用兩個(gè)不同種類當(dāng)中的一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在第一類中，核心單元是專為硬件仿真應(yīng)用而設(shè)計(jì)的定制FPGA，但通用FPGA是個(gè)糟糕的選擇。Mentor Graphics提供一種稱為Crystal2的此類器件，并稱之為定制片上硬件仿真器，如圖1。在第二類中，核心單元包括大量簡(jiǎn)單的布爾處理器，此類處理器在巨大的內(nèi)存中執(zhí)行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。Cadence供應(yīng)商稱之為“基于處理器的硬件仿真器”。很顯然，定制FPGA硬件仿真器與商用FPGA硬件仿真器具有一些相似之處，但仍然具備獨(dú)特的功能。

圖1：Mentor Graphiscs Crystal2“定制片上硬件仿真器”。

定制FPGA硬件仿真器

定制FPGA硬件仿真器由法國(guó)初創(chuàng)公司MetaSystems(1996年被Mentor Graphics收購(gòu))最先開發(fā)并商業(yè)化，采用不同于Xilinx和Altera所提供的獨(dú)特FPGA。該硬件仿真器是基于定制硅上仿真器架構(gòu)，專為涵蓋整個(gè)硬件仿真器(包括可配置單元、局部互連矩陣、嵌入式多端口內(nèi)存、I/O通道、帶探測(cè)電路的調(diào)試引擎和時(shí)鐘發(fā)生器)的仿真應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

這種方法使用了三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，每個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)都可提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

●可編程單元的內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò);

●定制FPGA的外部互連網(wǎng)絡(luò)和I/O結(jié)構(gòu);

●DUT調(diào)試引擎。

可編程單元的內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)

可編程單元的互連網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)不同分級(jí)層：位于查找表(LUT)及其集群(Cluster)級(jí)別的低層;以及更大塊的LUT集群，即所謂的疊塊的高層。

可以用空間類推法來(lái)描述低層。假設(shè)所有的LUT都位于球體表面上，任何兩個(gè)LUT互連都必須穿過球體中心，則無(wú)論兩個(gè)LUT位于何處，互連導(dǎo)線的長(zhǎng)度始終相同。(圖2)。

圖2：描述低層空間類推法。

上述類推法延伸到更高層級(jí)，LUT集群可以分布在更大球體的表面上，并采用相同的方式互連(圖3)。這基本上是一個(gè)重復(fù)相同模式的分形圖，從外到內(nèi)或從內(nèi)到外移動(dòng)。高層通過專利結(jié)構(gòu)互連疊塊，提供類似于低層固有的優(yōu)勢(shì)。

圖3：高層級(jí)空間類推法。

高層通過微小的交互開關(guān)矩陣(有些類似于片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)架構(gòu))互連疊塊，因此使該結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)網(wǎng)格互連網(wǎng)絡(luò)。這種方法可以確保布線可預(yù)測(cè)、快速和無(wú)擁塞。

此外，時(shí)鐘樹通過導(dǎo)線連接到獨(dú)立于數(shù)據(jù)路徑的專用路徑，因而可以預(yù)測(cè)和重復(fù)時(shí)序，并通過構(gòu)造防止時(shí)序違規(guī)行為，因?yàn)閿?shù)據(jù)路徑比時(shí)鐘路徑更長(zhǎng)。不可預(yù)測(cè)的時(shí)序和保持時(shí)間違規(guī)行為會(huì)破壞商用FPGA的可用性。

與商用FPGA的結(jié)構(gòu)相比，定制方法可以確保時(shí)序的確定性和可重復(fù)性。該方法消除了布局約束，確保實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的布線和快速的編譯(圖4)。

圖4：商用FPGA與定制的對(duì)比。

多層互連網(wǎng)絡(luò)對(duì)高容量進(jìn)行權(quán)衡，現(xiàn)可用于最大的FPGA，并支持快速和無(wú)擁塞的FPGA布局和布線(PR)?？梢栽诩s五分鐘內(nèi)對(duì)一個(gè)定制FPGA進(jìn)行布局布線。即使將最大FPGA的填充率降低至50%或以下，PR仍可能需要幾個(gè)小時(shí)。

毫無(wú)疑問，與使用當(dāng)前市場(chǎng)上最大的商用FPGA相比(例如Xilinx Virtex-7 XC7V2000T)，映射10億ASIC等效門設(shè)計(jì)將需要更多的定制FPGA器件。實(shí)際差異可能會(huì)小于通過比較內(nèi)部資源(例如LUT)估算的結(jié)果，因?yàn)槎ㄖ艶PGA的利用率接近100%，而商用FPGA則為50%左右。

以下因素有助于減輕容量差距：內(nèi)置的VirtualWire邏輯(用于I/O數(shù)最大化而不是消耗LUT);內(nèi)置的調(diào)試引擎(節(jié)約留給DUT映射的寶貴的可配置資源);以及一個(gè)有效的布線器。

這兩種技術(shù)都受益于在多個(gè)PC分配PR，但定制方法仍然具有優(yōu)勢(shì)。在一系列定制FPGA上對(duì)10億ASIC等效門設(shè)計(jì)進(jìn)行布局和布線(在大型模擬場(chǎng)進(jìn)行操作)可能需要30分鐘。在一系列較小的Xilinx Virtex-7上對(duì)相同的設(shè)計(jì)進(jìn)行布局和布線將需要幾個(gè)小時(shí)。

擁有了該技術(shù)，定制FPGA硬件仿真器供應(yīng)商可以管控運(yùn)營(yíng)，優(yōu)化和定制PR軟件，而這是商用FPGA硬件仿真器供應(yīng)商無(wú)法做到的。因?yàn)楹笳呤蹻PGA廠商支配。

片上硬件仿真器的外部互連網(wǎng)絡(luò)

片上硬件仿真器的外部互連網(wǎng)絡(luò)是基于所謂的VirtualWire技術(shù)。借助VirtualWire，F(xiàn)PGA集合會(huì)自動(dòng)編譯為一個(gè)巨大的FPGA，該FPGA不會(huì)受到可破壞通過傳統(tǒng)方式互連的一系列等效FPGA的潛在時(shí)序問題的影響。該技術(shù)在開發(fā)時(shí)僅可用于采用商用FPGA的硬件仿真器?，F(xiàn)在，相同的技術(shù)已嵌入到片上硬件仿真器。

VirtualWire是基于多個(gè)再綜合流程(時(shí)序、存儲(chǔ)器、互連)，此類流程將DUT轉(zhuǎn)換為映射到一系列定制片上硬件仿真器器件的功能等效的設(shè)計(jì)。

時(shí)序再綜合使用正確性維護(hù)轉(zhuǎn)換來(lái)重新定時(shí)用戶的設(shè)計(jì)，通過引入單個(gè)高速時(shí)鐘來(lái)保護(hù)其免受不準(zhǔn)確的FPGA延遲。此外，還消除了傳統(tǒng)硬件仿真系統(tǒng)的保持時(shí)間問題。

存儲(chǔ)器再綜合實(shí)現(xiàn)低成本實(shí)施各類存儲(chǔ)器(包括寬多端口RAM)，無(wú)需構(gòu)建定制存儲(chǔ)卡或使用FPGA存儲(chǔ)器。多路復(fù)用和存儲(chǔ)器共享支持使用快速且便宜的常見SRAM芯片進(jìn)行存儲(chǔ)器硬件仿真。

互連再綜合通過在器件固定和有限數(shù)量的I/O管腳上增加傳輸中的I/O信號(hào)數(shù)，來(lái)擴(kuò)展器件間的通信帶寬，并以最大速度進(jìn)行連接。最終結(jié)果是，器件利用率顯著提高到約100%，避免擁塞并維護(hù)DUT完整性。

在每個(gè)I/O管腳增加I/O信號(hào)類似于在FPGA原型板上實(shí)施I/O數(shù)最大化的方法。

VirtualWire實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜。該技術(shù)：

●通過保證局部時(shí)序正確性實(shí)現(xiàn)全局時(shí)序正確性和系統(tǒng)可擴(kuò)展性;

●提供為所有觸發(fā)器計(jì)時(shí)的虛擬時(shí)鐘，分配單個(gè)同步低偏移時(shí)鐘;

●信號(hào)布線和調(diào)度受編譯器控制，因?yàn)樾盘?hào)必須通過已知數(shù)量的FPGA。

VirtualWire實(shí)現(xiàn)還擴(kuò)展了帶寬，從而可提高FPGA和導(dǎo)線的利用率。多路復(fù)用技術(shù)可以擴(kuò)展各級(jí)封裝的互連帶寬，從FPGA間和板間到機(jī)箱間，使得分區(qū)更容易。

此外，還提供相同的多路復(fù)用技術(shù)來(lái)訪問存儲(chǔ)器。通過對(duì)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行多路復(fù)用，可以使用常見的SRAM芯片構(gòu)建寬存儲(chǔ)器?？梢允褂肧RAM芯片實(shí)施多端口存儲(chǔ)器?？梢栽诓季€和調(diào)度步驟中整合存儲(chǔ)器調(diào)度。

集成設(shè)計(jì)調(diào)試功能

第三個(gè)創(chuàng)新涉及定制方法的集成設(shè)計(jì)調(diào)試功能。該方法是基于在芯片內(nèi)部實(shí)施的實(shí)時(shí)智能數(shù)據(jù)捕獲和安裝在仿真板上每個(gè)芯片旁邊的跟蹤存儲(chǔ)器，可以確保監(jiān)控DUT的所有單元。這是通過構(gòu)造而非編譯內(nèi)部探頭實(shí)現(xiàn)的。并且還避免了硬件仿真速度下降。

通過將所有LUT和嵌入式存儲(chǔ)器輸出連接到硅中片上信號(hào)探測(cè)電路實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控，無(wú)需在編譯時(shí)進(jìn)行布線。探測(cè)電路依次將探測(cè)數(shù)據(jù)定向到快速內(nèi)存芯片庫(kù)，該庫(kù)耦合到安裝在仿真板上的定制片上硬件仿真器器件。這樣就可預(yù)留布線資源來(lái)構(gòu)建設(shè)計(jì)圖片，提高可重新配置硬件的效率(圖5)。

圖5：預(yù)留布線資源來(lái)構(gòu)建設(shè)計(jì)圖片，提高可重新配置硬件的效率。

通過集成觸發(fā)機(jī)制和帶圖形路徑瀏覽器的內(nèi)置邏輯分析儀來(lái)增強(qiáng)設(shè)計(jì)調(diào)試功能，以加快識(shí)別難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。默認(rèn)情況下，片上硬件仿真器啟用了觸發(fā)寄存器、強(qiáng)制與解除(force/release)、內(nèi)存/寄存器讀寫以及斷點(diǎn)保存與恢復(fù)。

片上硬件仿真器的缺點(diǎn)

遺憾的是，與最大的商用FPGA相比，定制方法也有缺點(diǎn)，因?yàn)槎ㄖ菩酒娜萘棵芏容^低。一個(gè)缺點(diǎn)是，要映射任何給定的設(shè)計(jì)尺寸，硬件仿真器將需要更多的FPGA，從而導(dǎo)致物理尺寸更大、重量更重。

粗略地講，與具有相同設(shè)計(jì)容量的商用FPGA硬件仿真器相比，尺寸大一個(gè)數(shù)量級(jí)。重量約重5倍。功耗約高4倍以上，雖然比例較低。

商用FPGA硬件仿真器的原始時(shí)鐘速度更快。據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，似乎比片上硬件仿真器快兩倍。同樣，這源于兩種芯片的容量差異。事實(shí)上，具有更大容量的現(xiàn)成FPGA可以容納設(shè)計(jì)的更大部分，并支持更少的器件以適應(yīng)整個(gè)設(shè)計(jì)。最終結(jié)果是，互連導(dǎo)線更短，傳播延遲更快。

但是，若要利用這種功能，則耗時(shí)的手動(dòng)分區(qū)始終是必要的。如果沒有優(yōu)化分區(qū)和消除跳距——即組合導(dǎo)線跨越多個(gè)FPGA——那么在商用FPGA硬件仿真器中，仿真速度可能會(huì)下降。原始速度是一回事。真實(shí)環(huán)境中的實(shí)際性能/帶寬則是另一回事。