基于IP核的FPGA設計方法

前　言

幾年前設計專用集成電路(ASIC) 還是少數(shù)集成電路設計工程師的事, 隨著硅的集成度不斷提高,百萬門的ASIC 已不難實現(xiàn), 系統(tǒng)制造公司的設計人員正越來越多地采用ASIC 技術集成系統(tǒng)級功能(System L evel In tegrete - SL I) , 或稱片上系統(tǒng)(System on a ch ip ) , 但ASIC 設計能力跟不上制造能力的矛盾也日益突出。現(xiàn)在設計人員已不必全部用邏輯門去設計ASIC, 類似于用集成電路( IC) 芯片在印制板上的設計,ASIC 設計人員可以應用等效于印制板上IC 芯片的功能模塊, 稱為核(core)、或知識產(chǎn)權( IP) 宏單元進行系統(tǒng)設計, 這就是基于核的設計方法。CPU、存儲器、總線控制器、接口電路、DSP 等都可成為核。但是ASIC 設計與印制板(PCB) 設計有很大區(qū)別,ASIC 必須用EDA 工具進行硬件設計, 主要問題都是通過計算機仿真解決, 而不能象印制板設計那樣通過實驗調試解決, 另外ASIC 的制造還需要數(shù)量可觀(一般數(shù)萬美元) 的不可重復工程費用(NRE)。80年代后期出現(xiàn)的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA ) 和復雜可編程邏輯器件(CPLD) 是ASIC 的一種, 其優(yōu)點是在制造廠家提供的FPGA 或CPLD 芯片上, 可由設計工程師對其進行現(xiàn)場編程完成ASIC 的最后設計, 而不需昂貴的NRE 費?，F(xiàn)在FPGA 的規(guī)模已達到百萬門, 如XILINX 公司的V irtex 系列, 完全可以實現(xiàn)片上系統(tǒng),其設計方法將逐步轉向核基設計。

1　核的分類和特點

核是一種預定義的并經(jīng)過驗證的復雜功能模塊, 它可以集成到系統(tǒng)設計中。核基設計主要特點是可重復使用已有設計模塊, 縮短設計時間, 減少設計風險, 通過高層的集成可望提高整個系統(tǒng)的性能。在FPGA 設計中的核分為三種, 如表1所示:

表1　核的分類和特點

硬核
(hard core)
預定義的已布局布線的模塊 不能修改設計, 必須采指定實現(xiàn)技術 時序性能有保證

固核
(firm core) HDL 源碼,與實現(xiàn)技術有關的網(wǎng)表 部分功能可以修改, 采用指定的實現(xiàn)技術 關鍵路徑時序可控制

軟件
(soft core)
行為級或RTL 級HDL源碼 可修改設計,與具體實現(xiàn)技術無關 時序性能無保證, 由使用者確定

硬核是針對特定的實現(xiàn)技術優(yōu)化的, 它具有不能修改的結構和布局布線, 可作為庫元件使用, 且時序性能穩(wěn)定, 但硬核不能按設計需要修改和調整時序。固核由HDL 源碼和與實現(xiàn)技術有關的網(wǎng)表組成, 使用者可按規(guī)定增減部分功能。固核的關鍵路徑時序是固定的, 但其實現(xiàn)技術不能更改, 即不同廠家FPGA 的固核不能互換使用。軟核是可綜合的硬件描述語言(HDL ) 源碼, 它與實現(xiàn)技術無關, 可按使用者需要修改, 具有最大的使用靈活性, 但軟核的關鍵路徑時序性能無保證, 最終性能主要決定于使用者采用的綜合、布局布線和實現(xiàn)技術。

在FPGA 設計中, 由于不同廠家的具體實現(xiàn)技術差別較大, 完全與硬件實現(xiàn)技術無關的軟核性能受到很大限制, 而硬核缺少使用的靈活性, 因此作為軟、硬核折中的固核使用較多。以上是具有代表性的核的分類, 在實際使用中, 某種功能的核往往以各種形式出現(xiàn), 由使用者按需要選用, 軟核也不僅只有HDL 源碼, 還包括用于功能測試的行為模型和測試向量, 用于指導綜合的約束文件。

2　核基FPGA 設計方法簡介

在核基設計中, 一個完整的設計主要由兩部分組成, 一部分是核, 如圖1中的MCU、RAM , 另一部分是用戶自己定義的邏輯電路。按系統(tǒng)設計的要求將這些功能模塊連接在一起就完成了芯片的設計,各個核或功能塊的連接目前還沒有統(tǒng)一的標準, 因不同的設計而定, 一般應滿足一定的時序要求。作為核基設計的第一步是選擇合適的核, 這主要從核的功能、性能可靠性和實現(xiàn)技術幾方面來選擇。
 

圖1　核基設計芯片示意圖

一個核首先要有核的功能描述文件, 用于說明該核的功能、時序要求等, 如圖2所示, 其次還要包括設計實現(xiàn)和設計驗證兩個方面的文件, 即不但要有實現(xiàn)核功能的寄存器傳輸級(RTL ) 源碼或網(wǎng)表, 還要有用于核實現(xiàn)后驗證邏輯功能正確性的仿真模型和測試向量。硬核的實現(xiàn)較簡單, 類似于PCB 設計中IC 芯片的使用, 軟核的使用情況較為復雜, 實現(xiàn)后的性能與使用者的具體實現(xiàn)方式有關, 為保證軟核的性能, 軟核提供者一般還提供綜合描述文件, 用于指導軟核的綜合, 固核的使用介于上述二者之間。
 

圖2　核由設計實現(xiàn)和設計驗證組成

很多核提供者都提供核的評價環(huán)境和演示、開發(fā)板,便于用戶了解核的功能和使用。
核基FPGA 設計流程如圖3所示。設計輸入部分包括:
1) 用戶設計邏輯、軟核、固核或硬核仿真模型的輸入,
2) 功能仿真,
3) 邏輯綜合。其中仿真模型是一個行為級模型, 只用作功能仿真, 不進行綜合。
 

圖3　核基FPGA 設計流程

設計的輸入一般是采用HDL 語言, 如VHDL、V erilog 等, 輸入完設計和仿真模型后就可進行功能仿真, 當功能仿真完成后, 就可進行邏輯電路的綜合。

用戶邏輯和軟核的綜合應加合理的時序約束, 以滿足設計的要求, 約束條件可由綜合文件(Synthesis Script ) 給出。完成設計輸入后進入設計實現(xiàn)階段,在此階段固核的網(wǎng)表和設計約束文件, 用戶綜合出的網(wǎng)表和設計約束文件一起輸入給FPGA 布局布線工具, 完成FPGA 的最后實現(xiàn), 并產(chǎn)生時序文件用于時序仿真和功能驗證。最后進入設計驗證階段,用靜態(tài)時序分析判定設計是否達到性能要求, 對比功能仿真結果和時序仿真結果, 驗證設計的時序和功能是否正確。若設計的性能不能達到要求, 需找出影響性能的關鍵路徑, 并返回延時信息, 修改約束文件, 對設計進行重新綜合和布局布線, 如此重復多次直到滿足設計要求

3　軟核的設計及使用

由于FPGA 的硬件技術迅速發(fā)展, 硬件資源越來越豐富, 速度越來越快, 使軟核資源利用率不高、工作速度較低等不足得到很大的彌補, 軟核在核基設計中作用越來越大。其主要優(yōu)點是功能與實現(xiàn)技術無關, 使用靈活。這樣我們可以很方便地在不同的實現(xiàn)技術下使用軟核。如用X IL INX FPGA 實現(xiàn)的軟核, 不需改動設計, 重新綜合后就可以用ACTEL FPGA 實現(xiàn), 設計實現(xiàn)的靈活性大為提高。但軟核的性能受實現(xiàn)技術影響還是很大, 怎樣保證軟核達到預想的性能是目前需要解決的難題。國外近年提出了與實現(xiàn)技術無關的可綜合軟核的思想, 希望通過對編制軟核的HDL 源碼的某種限制, 并結合綜合工具的時序約束功能, 達到部分控制軟核性能的目的。如限制軟核只能采用嚴格的同步邏輯設計, 沒有反饋環(huán)路、多時鐘路徑、三態(tài)邏輯、鎖存器和異步置位復位觸發(fā)器, 只使用D 觸發(fā)器和邏輯門。這樣借助于綜合工具, 可有效地控制軟核關鍵路徑的延時,并預測具體實現(xiàn)技術中軟核的性能。當然這是以犧牲一定的FPGA 邏輯資源為代價的, 但隨著硅技術的發(fā)展, 硬件資源十分豐富, 用一定的硬件資源浪費去換取設計靈活性提高是值得的, 正如在PC 機軟件設計中, 現(xiàn)在已很少有人過多考慮程序占用的存儲空間一樣。

本文作者按照上述軟核設計思想, 采用全同步邏輯設計, 只使用D 觸發(fā)器和邏輯門, 實現(xiàn)了與PIC16C57兼容的8位微控制器的設計。頂層結構如圖4, 采用哈佛結構, 取指和指令執(zhí)行并行工作, 除少數(shù)幾條程序跳轉指令外, 全部為單時鐘周期指令。程序存儲器ROM 一般放在FPGA 外, 若ROM 中指令較少, 也可放在FPGA 內。數(shù)據(jù)總線采用多路選擇器形式, 以適應不同的實現(xiàn)技術。指令寄存器和特殊功能寄存器, 包括IO 端口寄存器、狀態(tài)寄存器、程序計數(shù)器等, 都由D 觸發(fā)器構成, 通用寄存器采用了FPGA 的RAM 模塊, 指令譯碼和算數(shù)邏輯單元由組合邏輯門構成。
 

圖4　8位微控制器頂層結構圖

實現(xiàn)的主要功能:
(1) 指令與P IC16C57兼容。
(2) 三個8位雙向IO 口。
(3) 程序存儲器2K X 12 B IT。
(4) 內部RAM 共32個, 7個為特殊寄存器。
(5) 二級子程序堆棧。
(6) 未實現(xiàn)指令: POT ION、SLEEP、CLRWDT。
(7) 單相時鐘。

該軟核用VHDL 語言完成設計的輸入, 用EXPRESS 綜合工具進行綜合, 采用Xilinx 4000系列FPGA 實現(xiàn), 不包括ROM 約需2500邏輯門, 時鐘頻率5MHz, 即運行一條指令200ns。

上述軟核在綜合、布局布線時, 只給予了簡單的時序約束, 當需要改用其它FPGA 實現(xiàn)時, 可用綜合工具重新綜合、布局布線, 一般不需改變時序約束文件就能達到上述性能, 因此當時鐘頻率不太高時,軟核的使用還是較為方便的。但當時鐘頻率較高時,雖然采用了與實現(xiàn)技術無關的可綜合軟核的思想,軟核的性能還是與使用者及其采用的實現(xiàn)技術緊密相關, 要真正做到與實現(xiàn)技術無關是很困難的。此時軟核的使用者必須清楚其使用的復雜性, 最好能得到軟核提供者的技術支持, 許多軟核提供者都提供這方面的服務。

4　總結

隨著硅技術的發(fā)展, 集成電路芯片的硬件生產(chǎn)能力迅速提高, 幾年前FPGA、CPLD 的規(guī)模還在萬門左右, 現(xiàn)在ALTERA 公司已宣布將推出250萬門的CPLD。如此快的發(fā)展速度, 使集成電路設計能力嚴重不足, 只靠增加設計人員, 不從設計方法上改進, 提高設計的效率, 是不可能解決問題的。因此基于核的設計、設計重利用等技術, 近年來在國外發(fā)展很快, 并成立了相應的標準化組織, 如VSIA (Virtual Socket Interface Alliance) , 專門從事核或稱IP模塊的互連標準研究, 以使核的使用就象在印制板上使用集成電路塊一樣方便。一個片上系統(tǒng)的時代即將到來, 電子工程師應跟上這個時代發(fā)展的潮流,正如以前電子管系統(tǒng)向晶體管系統(tǒng), 分離元件系統(tǒng)向集成電路系統(tǒng)發(fā)展一樣。