【超級干貨】FPGA設(shè)計流程及原理

FPGA是可編程芯片，因此FPGA的設(shè)計內(nèi)容包括硬件設(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。

FPGA的開發(fā)流程即是利用EDA開發(fā)軟件以及編程工具對FPGA芯片進(jìn)行開發(fā)的過程。EDA ( Electronic Design Automation,電子設(shè)計自動化)是充分發(fā)揮LSI性能的關(guān)鍵技術(shù)。理論上，一款FPGA所能達(dá)到的性能上限是由制程等物理因素決定的，而在實際應(yīng)用中用戶電路的性能很大程度上取決于器件的架構(gòu)和EDA工具。這就像汽車一樣，無論引擎(制程)多么強勁，都需要配合適當(dāng)?shù)能圀w(架構(gòu))和駕駛技術(shù)( EDA工具)才能發(fā)揮出極限速度。尤其是與電路實現(xiàn)直接相關(guān)的EDA工具，其對性能的影響不可估量。

FPGA的設(shè)計流程由HDL源代碼的邏輯綜合開始，經(jīng)過工藝映射、邏輯打包、布局布線等過程，最終生成比特流。邏輯綜合將HDL描述轉(zhuǎn)換為門級網(wǎng)表，工藝映射將這個網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為查找表級別的網(wǎng)表。邏輯打包是將多個查我表和觸發(fā)器集合到一個邏輯塊的過程。布局布線工具先決定邏輯塊在器件上的位置，然后通過布線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)邏輯塊之間的連接。最終，基于這些布局布線信息可以決定FPGA中各個開關(guān)的連接關(guān)系，以此生成比特流。

器件上查找表的輸入數(shù)是既定的(查找表能實現(xiàn)輸人數(shù)不大于自己的任意邏輯)，而FPGA的設(shè)計就是要從目標(biāo)電路的邏輯函數(shù)中不斷分離出既定輸入數(shù)之內(nèi)的邏輯，并將其映射到查找表上。然后將這些查找表通過布線相連， 就可以在FPGA 上實現(xiàn)目標(biāo)電路。

FPGA和ASIC的區(qū)別在于，ASIC通過組合使用標(biāo)準(zhǔn)單元庫中的邏輯實現(xiàn)電路，而FPGA則使用統(tǒng)一構(gòu)造的查找表。這種區(qū)別也體現(xiàn)在了EDA工具上。下面我們就對這種不同于ASIC的EDA技術(shù)原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，具體包括上述的工藝映射、邏輯打包、布局布線。

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工藝映射

工藝映射是指將不依賴于任何工藝的門級網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為由特定FPGA邏輯單元所表示的網(wǎng)表的過程。這里所說的邏輯單元依賴于特定的FPGA架構(gòu)，是由查找表或MUX等邏輯電路實現(xiàn)的FPGA上的最小邏輯單位。工藝映射是從HDL開始的邏輯轉(zhuǎn)換的最后一步，因此對最終電路實現(xiàn)的質(zhì)量(面積、速度、功耗等)至關(guān)重要。下面我們就通過工藝映射最具代表性的工具FlowMap,來講解工藝映射的原理。Flow Map是由加州大學(xué)洛杉磯分校叢京生教授(Jason Cong)的研究團(tuán)隊開發(fā)的工藝映射算法。將目標(biāo)電路網(wǎng)表轉(zhuǎn)換到k輸入的查找表(k-LUT)的工藝映射過程由下面兩個步驟組成。

（1）分解:門級網(wǎng)標(biāo)實際上都是以布爾網(wǎng)絡(luò)的形式來表示的。先將布爾網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點不斷分解，直至輸人數(shù)小于查找表的輸人數(shù)k。

（2）覆蓋:基于過程（1）所得到的布爾網(wǎng)絡(luò)，使用某種基準(zhǔn)對輸入進(jìn)行切分，使用k-LUT覆蓋多個節(jié)點。

FlowMap第（2）步的覆蓋過程，是一種可以在多項式時間內(nèi)找到邏輯層數(shù)最優(yōu)解的方法。

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3、邏輯打包

目前，主流FPGA的邏輯塊都具有多個查找表，因此將查找表高效地打包到邏輯塊的過程是不可或缺的。邏輯打包主要有兩個要點:第一，邏輯塊內(nèi)部布線(局部布線)和邏輯塊外部布線(布線通道中的布線)的延遲相差很大;第二，如果邏輯塊中有查找表空閑，資源使用率就會降低(增加邏輯塊的使用量),因此要盡量在每個邏輯塊內(nèi)填裝更多邏輯。

之前世界上出現(xiàn)了許多可以實現(xiàn)多種性能優(yōu)化的打包工具，但他們的裝箱算法都只能處理單一的查找表結(jié)構(gòu)。近些年的邏輯塊包含了自適應(yīng)查找表等更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。自適應(yīng)查找表不僅需要在工藝映射時選擇最佳輸入數(shù)的查找表，對裝箱算法也有很大影響。比如，在打包自適應(yīng)查找表的網(wǎng)表時為了改善布通率和延遲，不能只考慮邏輯塊中查找表的數(shù)量，還要考慮主輸入數(shù)量、邏輯塊所允許的查找表模式組合等因素。因此要找到同時滿足邏輯塊數(shù)最少、延遲最小、布線數(shù)最少的解是非常困難的。

VTR(Verilog-to-Routing)中集成的AAPack(ArchitectureAware Packer)就是為了挑戰(zhàn)這個問題而誕生的。VTR系統(tǒng)使用XML的形式建立器件的架構(gòu)模型。其架構(gòu)的定義分為單元結(jié)構(gòu)( physical block,相當(dāng)于邏輯塊內(nèi)的邏輯單元)和布線結(jié)構(gòu)( interconnect,相當(dāng)于physical block間的連接關(guān)系和連接方式)。單元結(jié)構(gòu)的描述方式為嵌套式，可以描還含有多個邏輯單元的邏輯塊。使用模式單元還可以表達(dá)具有多種模式的結(jié)構(gòu)，例如將多輸入查找表拆分為多個少輸人的查找表(多種模式)等。

AAPack實現(xiàn)了對上述架構(gòu)模型的支持，其裝箱算法如下所示。

(1)如果有未打包的查找表，則選其作為種子并確定要插入的邏輯塊。

(2)按照如下算法向當(dāng)前邏輯塊填裝查找表。

(a)尋找可填裝的候補查找表。

(b)將選擇的查找表填入邏輯塊。

(c)如果邏輯塊還有空位，返回到步驟(2)的(a)。

(3)將裝箱完畢的邏輯塊輸出到文件，返回到步驟(1)。

綜上，AAPack可以對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的邏輯塊實現(xiàn)查找表打包功能。

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布局布線

布局布線是FPGA設(shè)計流程的最后一個步驟——在物理上確定邏輯塊的位置和信號連接路徑。一般來說首先會確定邏輯塊的布局，然后再對邏輯塊間的連接進(jìn)行布線。

多數(shù)FPGA的邏輯塊都呈二維陣列狀排列，因此邏輯塊布局問題可以視為標(biāo)準(zhǔn)的二次分配問題。然而，此類問題也被公認(rèn)為是NP問題，通常只能使用SA ( Simulated Annealing)等算法獲取近似解。

布線過程中主要使用兩種布線方法:全局布線和詳細(xì)布線。全局布線階段主要決定線網(wǎng)的布線路徑，例如通過哪些通道形成連接。詳細(xì)布線則基于全局布線所得的信息，確定路徑具體使用了哪些布線資源、通過了哪些開關(guān)等。

下面我們使用由多倫多大學(xué)開發(fā)、在學(xué)術(shù)界被廣泛應(yīng)用的布局布線工具VPR(Versatile Place and Route)進(jìn)行介紹。

VPR的布線過程如下：

(2)計算當(dāng)前布局的布線擁擠度。

(3)隨機(jī)選擇兩個邏輯塊并對調(diào)其位置。

(4)計算對調(diào)后的布線擁擠度。

(5)比較對調(diào)前后擁擠度的數(shù)值，決定是否接受新的布局。

目前，作為最主要的開源FPGA設(shè)計框架，VPR已經(jīng)發(fā)展到了7.0的版本了，其中也加入了一些更加實用的功能和工具，例如支持進(jìn)位信號等專用連接、多時鐘域時序分析、功耗分析等。

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