FPGA重點知識13條，助你構(gòu)建完整“邏輯觀”之一

　　6、FPGA設(shè)計方法概論

　　FPGA是可編程芯片，因此FPGA的設(shè)計方法包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)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(shè)備，軟件即是相應(yīng)的HDL程序以及最新才流行的嵌入式C程序。硬件設(shè)計是基礎(chǔ)，但其方法比較固定，本書將在第4節(jié)對其進行詳細介紹，本節(jié)主要介紹軟件的設(shè)計方法。

　　目前微電子技術(shù)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(shè)計思想有著革命性的變化。SOC是一個復(fù)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(shè)備接口等，具有設(shè)計周期長、實現(xiàn)成本高等特點，因此其設(shè)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(shè)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(shè)計方法來實施。首先由總設(shè)計師將整個軟件開發(fā)任務(wù)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(yīng)的行為或結(jié)構(gòu)模型，再將其分配給下一層的設(shè)計師。這就允許多個設(shè)計者同時設(shè)計一個硬件系統(tǒng)中的不同模塊，并為自己所設(shè)計的模塊負責;然后由上層設(shè)計師對下層模塊進行功能驗證。

　　自頂向下的設(shè)計流程從系統(tǒng)級設(shè)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，如圖1-6所示。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(fù)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。

　　圖1-6 自頂向下的FPGA設(shè)計開發(fā)流程

　　在工程實踐中，還存在軟件編譯時長的問題。由于大型設(shè)計包含多個復(fù)雜的功能模塊，其時序收斂與仿真驗證復(fù)雜度很高，為了滿足時序指標的要求，往往需要反復(fù)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(shè)計性能，繼承已有結(jié)果，便于團隊化設(shè)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(yīng)的邏輯鎖定和增量設(shè)計的軟件工具。例如，Xilinx公司的解決方案就是PlanAhead。

　　Planahead 允許高層設(shè)計者為不同的模塊劃分相應(yīng)FPGA芯片區(qū)域，并允許底層設(shè)計者在在所給定的區(qū)域內(nèi)獨立地進行設(shè)計、實現(xiàn)和優(yōu)化，等各個模塊都正確后，再進行設(shè)計整合。如果在設(shè)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(shè)計方法、團隊化合作設(shè)計方法以及重用繼承設(shè)計方法三者完美地結(jié)合在一起，有效地提高了設(shè)計效率，縮短了設(shè)計周期。

　　不過從其描述可以看出，新型的設(shè)計方法對系統(tǒng)頂層設(shè)計師有很高的要求。在設(shè)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(yīng)的時序關(guān)系;在設(shè)計后期，需要根據(jù)底層模塊的實現(xiàn)情況完成相應(yīng)的修訂。

　　典型FPGA開發(fā)流程

　　FPGA的設(shè)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。FPGA的開發(fā)流程一般如圖1-7所示，包括電路設(shè)計、設(shè)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。

　　圖1-7 FPGA開發(fā)的一般流程

　　1. 電路設(shè)計

　　在系統(tǒng)設(shè)計之前，首先要進行的是方案論證、系統(tǒng)設(shè)計和FPGA芯片選擇等準備工作。系統(tǒng)工程師根據(jù)任務(wù)要求，如系統(tǒng)的指標和復(fù)雜度，對工作速度和芯片本身的各種資源、成本等方面進行權(quán)衡，選擇合理的設(shè)計方案和合適的器件類型。一般都采用自頂向下的設(shè)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(shè)計輸入

　　設(shè)計輸入是將所設(shè)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(yīng)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(yīng)用最廣的就是HDL語言輸入法，利用文本描述設(shè)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(shè)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(guān)，利于自頂向下設(shè)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。

　　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(shè)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(guān)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(shè)計修改邏輯設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)，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(shè)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(shè)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(shè)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

　　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(fù)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(guān)設(shè)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. 實現(xiàn)與布局布線

　　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(shè)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(guān)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(yīng)用于高速電路設(shè)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(shè)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(shè)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。

　　1.3.3 基于FPGA的SOC設(shè)計方法

　　基于FPGA的SOC設(shè)計理念將FPGA可編程的優(yōu)點帶到了SOC領(lǐng)域，其系統(tǒng)由嵌入式處理器內(nèi)核、DSP單元、大容量處理器、吉比特收發(fā)器、混合邏輯、IP以及原有的設(shè)計部分組成。相應(yīng)的FPGA規(guī)模大都在百萬門以上，適合于許多領(lǐng)域，如電信、計算機等行業(yè)。

　　系統(tǒng)設(shè)計方法是SOC常用的方法學(xué)，其優(yōu)勢在于，可進行反復(fù)修改并對系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)進行驗證，??? 包括SOC集成硬件和軟件組件之間的接口。不過，目前仍存在很多問題，最大的問題就是沒有通用的系統(tǒng)描述語言和系統(tǒng)級綜合工具。隨著FPGA平臺的融入，將 SOC逐步地推向了實用。SOC平臺的核心部分是內(nèi)嵌的處理內(nèi)核，其硬件是固定的，軟件則是可編程的;外圍電路則由FPGA的邏輯資源組成，大都以IP 的形式提供，例如存儲器接口、USB接口以及以太網(wǎng)MAC層接口等，用戶根據(jù)自己需要在內(nèi)核總線上添加，并能自己訂制相應(yīng)的接口IP和外圍設(shè)備。

　　基于FPGA的典型SOC開發(fā)流程為：

　　1.芯片內(nèi)的考慮

　　從設(shè)計生成開始，設(shè)計人員需要從硬件/軟件協(xié)同驗證的思路入手，以找出只能在系統(tǒng)集成階段才會被發(fā)現(xiàn)的軟、硬件缺陷。然后選擇合適的芯片以及開發(fā)工具，在綜合過程得到優(yōu)化，隨后進行精確的實現(xiàn)，以滿足實際需求。由于設(shè)計規(guī)模越來越大，工作頻率也到了數(shù)百兆赫茲，布局布線的延遲將變得非常重要。為了確保滿足時序，需要在布局布線后進行靜態(tài)時序分析，對設(shè)計進行驗證。

　　2.板級驗證

　　在芯片設(shè)計完畢后，需要再進行板級驗證，以便在印刷電路板(PCB)上保證與最初設(shè)計功能一致。因此，PCB布局以及信號完整性測試應(yīng)被納入設(shè)計流程。由于芯片內(nèi)設(shè)計所做的任何改變都將反映在下游的設(shè)計流程中，各個過程之間的數(shù)據(jù)接口和管理也必須是無誤的。預(yù)計SOC系統(tǒng)以及所必須的額外過程將使數(shù)據(jù)的大小成指數(shù)增長，因此，管理各種數(shù)據(jù)集本身是急劇挑戰(zhàn)性的任務(wù)

　　7、DCM時鐘管理單元

　　看Xilinx的Datasheet會注意到Xilinx的FPGA沒有PLL，其實DCM就是時鐘管理單元。

　　1、DCM概述

　　DCM內(nèi)部是DLL(Delay Lock Loop結(jié)構(gòu),對時鐘偏移量的調(diào)節(jié)是通過長的延時線形成的。DCM的參數(shù)里有一個PHASESHIFT(相移),可以從0變到255。所以我們可以假設(shè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)里從輸入引腳clkin到輸出引腳clk_1x之間應(yīng)該有256根延時線(實際上,由于對不同頻率的時鐘都可以從0變到255,延時線的真正數(shù)目應(yīng)該比這個大得多)。DCM總會把輸入時鐘clkin和反饋時鐘CLKFB相比較,如果它們的延時差不等于所設(shè)置的PHASESHIFT,DCM就會改變在clkin和clk_1x之間的延時線數(shù)目,直到相等為止,輸出和輸入形成閉環(huán)，動態(tài)調(diào)整到設(shè)定值再退出。這個從不等到相等所花的時間,就是輸出時鐘鎖定的時間,相等以后,lock_flag標識才會升高。

　　當DCM發(fā)現(xiàn)clkin和clkfb位相差不等于PHASESHIFT的時候,就去調(diào)節(jié)clk_1x和clkin之間延時,所以如果clk_1x和clkfb不相關(guān)的話,那就永遠也不能鎖定了。

　　圖一、DCM和BUFG配合使用示意圖

　　2、如何使用DCM

　　DCM一般和BUFG配合使用,要加上BUFG,應(yīng)該是為了增強時鐘的驅(qū)動能力。DCM的一般使用方法是,將其輸出clk_1x接在BUFG的輸入引腳上,BUFG的輸出引腳反饋回來接在DCM的反饋時鐘腳CLKFB上。另外,在FPGA里,只有BUFG的輸出引腳接在時鐘網(wǎng)絡(luò)上,所以一般來說你可以不使用DCM,但你一定會使用BUFG。有些兄弟總喜歡直接將外部輸入的時鐘驅(qū)動內(nèi)部的寄存器,其實這個時候雖然你沒有明顯地例化BUFG,但工具會自動給你加上的。

　　3、使用DCM可以消除時鐘skew

　　使用DCM可以消除時鐘skew。這個東西一直是我以前所沒有想清楚的,時鐘從DCM輸出開始走線到寄存器,這段skew的時間總是存在的,為什么用DCM就可以消除呢?直到有一天忽然豁然開朗,才明白其原委。對高手來說,也許是極為easy的事情,但也許有些朋友并不一定了解,所以寫出來和大家共享。

　　為說明方便起見,我們將BUFG的輸出引腳叫做clk_o,從clk_o走全局時鐘布線到寄存器時叫做clk_o_reg,從clk_o走線到DCM的反饋引腳CLKFB上時叫clkfb,如圖所示。實際上clk_o, clk_o_reg, clkfb全部是用導(dǎo)線連在一起的。

　　所謂時鐘skew,指的就是clk_o到clk_o_reg之間的延時。如果打開FPGA_Editor看底層的結(jié)構(gòu),就可以發(fā)現(xiàn)雖然DCM和BUFG離得很近,但是從clk_o到clkfb卻繞了很長一段才走回來,從而導(dǎo)致從clk_o到clk_o_reg和clkfb的延時大致相等。

　　總之就是clk_o_reg和clkfb的相位應(yīng)該相等。所以當DCM調(diào)節(jié)clkin和clkfb的相位相等時,實際上就調(diào)節(jié)了clkin和clk_o_reg相等。而至于clk_1x和clk_o的相位必然是超前于clkin, clkfb, clk_o_reg的,而clk_1x和clk_o之間的延時就很明顯,就是經(jīng)過那個BUFG的延遲時間。

　　4、對時鐘skew的進一步討論

　　最后,說一說時鐘skew的概念。時鐘skew實際上指的是時鐘驅(qū)動不同的寄存器時,由于寄存器之間可能會隔得比較遠,所以時鐘到達不同的寄存器的時間可能會不一樣,這個時間差稱為時鐘skew。這種時鐘skew可以通過時鐘樹來解決,也就是使時鐘布線形成一種樹狀結(jié)構(gòu),使得時鐘到每一個寄存器的距離是一樣的。很多FPGA芯片里就布了這樣的時鐘樹結(jié)構(gòu)。也就是說,在這種芯片里,時鐘skew基本上是不存在的。

　　說到這里,似乎有了一個矛盾,既然時鐘skew的問題用時鐘樹就解決了,那么為什么還需要DCM+BUFG來解決這個問題?另外,既然時鐘skew指的是時鐘驅(qū)動不同寄存器之間的延時,那么上面所說的clk_o到clk_o_reg豈非不能稱為時鐘skew?

　　先說后一個問題。在一塊FPGA內(nèi)部,時鐘skew問題確實已經(jīng)被FPGA的時鐘方案樹解決,在這個前提下clk_o到clk_o_reg充其量只能叫做時鐘延時,而不能稱之為時鐘skew。可惜的是FPGA的設(shè)計不可能永遠只在內(nèi)部做事情,它必然和外部交換數(shù)據(jù)。例如從外部傳過來一個32位的數(shù)據(jù)以及隨路時鐘,數(shù)據(jù)和隨路時鐘之間滿足建立保持時間關(guān)系(Setup Hold time),你如何將這32位的數(shù)據(jù)接收進來?如果你不使用DCM,直接將clkin接在BUFG的輸入引腳上,那么從你的clk_o_reg就必然和clkin之間有個延時,那么你的clk_o_reg還能保持和進來的數(shù)據(jù)之間的建立保持關(guān)系嗎?顯然不能。相反,如果你采用了DCM,接上反饋時鐘,那么clk_o_reg和clkin同相,就可以利用它去鎖存進來的數(shù)據(jù)。可見,DCM+BUFG的方案就是為了解決這個問題。而這個時候clk_o到clk_o_reg的延時,我們可以看到做內(nèi)部寄存器和其他芯片傳過來的數(shù)據(jù)之間的時鐘skew。

　　由此,我們可以得出一個推論,從晶振出來的時鐘作為FPGA的系統(tǒng)時鐘時,我們可以不經(jīng)過DCM,而直接接到BUFG上就可以,因為我們并不在意從clkin到clk_o_reg的這段延時。