一文解读FPGA设计者的5项基本功及设计流程

geren2014

数字集成电路的发展历史，经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模以及超大规模集成电路等不同的阶段。发展到现在，主要有3类电子器件：存储器、处理器和逻辑器件。

　　存储器保存随机信息（电子数据表或数据库的内容）；处理器执行软件指令，以便完成各种任务（运行数据处理程序或视频游戏）；而逻辑器件可以提供特殊功能（器件之间的通信和系统必须执行的其他所有功能）。

　　逻辑器件分成两类：

　　1.固定的或定制的。

　　2.可编程的或可变的。

　　其中，固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片（ASIC）。ASIC是为了满足特定的用途而设计的芯片，例如MP3解码芯片等。其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成本，同时提高了产品的可靠性。随着集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不断的缩小。

　　FPGA的硬件设计技巧

　　1、管脚兼容性设计

　　前面的内容提到过，FPGA在芯片选项的时候要尽量选择兼容性好的封装。那么，在硬件电路设计时，就要考虑如何兼容多种芯片的问题。

　　

　　2、根据电路布局来分配管脚功能

　　FPGA的通用I/O功能定义可以根据需要来指定。在电路图设计的流程中，如果能够根据PCB的布局来对应的调整原理图中FPGA的管脚定义，就可以让后期的布线工作更顺利。

　

　　3、预留测试点

　　目前FPGA提供的I/O数量越来越多，除了能够满足设计需要的I/O外，还有一些剩余I/O没有定义。这些I/O可以作为预留的测试点来使用。

　　

　　如果FPGA有预留的测试点，那么可以将要测试的信号从FPGA内部指定到这些预留的测试点上。这样既能测试到这些信号的波形，又不会影响SDRAM的工作。

　　如果电路测试过程中发现需要飞线才能解决问题，那么这些预留的测试点还可以作为飞线的过渡点。

　　FPGA设计者的5项基本功介绍

　　在小编看来，成为一名说得过去的FPGA设计者，需要练好5项基本功：仿真、综合、时序分析、调试、验证。

　　需要强调的一点是，以上基本功是针对FPGA设计者来说的，不是针对IC设计者的。对于IC设计，不太懂，所以不敢妄言。

　　对于FPGA设计者来说，练好这5项基本功，与用好相应的EDA工具是同一过程，对应关系如下：

　　1.、仿真：Modelsim， Quartus II（Simulator Tool）

　　2.、综合：Quartus II （Compiler Tool， RTL Viewer， Technology Map Viewer， Chip Planner）

　　3、 时序：Quartus II （TimeQuest Timing Analyzer， Technology Map Viewer， Chip Planner）

　　4、调试：Quartus II （SignalTap II Logic Analyzer， Virtual JTAG， Assignment Editor）

　　5、验证：Modelsim， Quartus II（Test Bench Template Writer）

　　掌握HDL语言虽然不是FPGA设计的全部，但是HDL语言对FPGA设计的影响贯穿于整个FPGA设计流程中，与FPGA设计的5项基本功是相辅相成的。

　　对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的可综合子集”可以完成FPGA设计50%的工作——设计编码。练好仿真、综合、时序分析这3项基本功，对于学习“HDL语言的可综合子集”有如下帮助：

　　1. 通过仿真，可以观察HDL语言在FPGA中的逻辑行为。

　　2. 通过综合，可以观察HDL语言在FPGA中的物理实现形式。

　　3. 通过时序分析，可以分析HDL语言在FPGA中的物理实现特性。

　　对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的验证子集”，可以完成FPGA设计另外50%的工作——调试验证。

　　1. 搭建验证环境，通过仿真的手段可以检验FPGA设计的正确性。

　　2. 全面的仿真验证可以减少FPGA硬件调试的工作量。

　　3.把硬件调试与仿真验证方法结合起来，用调试解决仿真未验证的问题，用仿真保证已经解决的问题不在调试中再现，可以建立一个回归验证流程，有助于FPGA设计项目的维护。

　　FPGA设计者的这5项基本功不是孤立的，必须结合使用，才能完成一个完整的FPGA设计流程。反过来说，通过完成一个完整的设计流程，才能最有效地练习这5项基本功。对这5项基本功有了初步认识，就可以逐个深入学习一些，然后把学到的知识再次用于完整的设计流程。如此反复，就可以逐步提高设计水平。采用这样的循序渐进、螺旋式上升的方法，只要通过培训入了门，就可以自学自练，自我提高。

　　市面上出售的有关FPGA设计的书籍为了保证结构的完整性，对FPGA设计的每一个方面分开介绍，每一方面虽然深入，但是由于缺少其他相关方面的支持，读者很难付诸实践，只有通读完全书才能对FPGA设计获得一个整体的认识。这样的书籍，作为工程培训指导书不行，可以作为某一个方面进阶的参考书。如何使用现有的书籍进行自学，这是后话。

　　对于新入职的员工来说，他们往往对FPGA的整体设计流程有了初步认识，5项基本功的某几个方面可能很扎实。但是由于某个或某几个方面能力的欠缺，限制了他们独自完成整个设计流程的能力。入职培训的目的就是帮助他们掌握整体设计流程，培养自我获取信息的能力，通过几个设计流程来回的训练，形成自我促进、自我发展的良性循环。在这一过程中，随着对工作涉及的知识的广度和深度的认识逐步清晰，新员工的自信心也会逐步增强，对个人的发展方向也会逐步明确，才能积极主动地参与到工程项目中来。

　　FPGA的设计流程

　　FPGA的设计流程就是利用EDA开发软件和编程工具对FPGA芯片进行开发的过程。典型FPGA的开发流程一般如图4.1.1所示，包括功能定义/器件选型、设计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯片编程与调试等主要步骤。

　　1、功能定义/器件选型

　　在FPGA设计项目开始之前，必须有系统功能的定义和模块的划分，另外就是要根据任务要求，如系统的功能和复杂度，对工作速度和器件本身的资源、成本、以及连线的可布性等方面进行权衡，选择合适的设计方案和合适的器件类型。一般都采用自顶向下的设计方法，把系统分成若干个基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接使用EDA元件库为止。

　　2、 设计输入

　　设计输入是将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来，并输入给EDA工具的过程。常用的方法有硬件描述语言（HDL）和原理图输入方法等。原理图输入方式是一种最直接的描述方式，在可编程芯片发展的早期应用比较广泛，它将所需的器件从元件库中调出来，画出原理图。这种方法虽然直观并易于仿真，但效率很低，且不易维护，不利于模块构造和重用。更主要的缺点是可移植性差，当芯片升级后，所有的原理图都需要作一定的改动。目前，在实际开发中应用最广的就是HDL语言输入法，利用文本描述设计，可以分为普通HDL和行为HDL。普通HDL有ABEL、CUR等，支持逻辑方程、真值表和状态机等表达方式，主要用于简单的小型设计。而在中大型工程中，主要使用行为HDL，其主流语言是Verilog HDL和VHDL。这两种语言都是美国电气与电子工程师协会（IEEE）的标准，其共同的突出特点有：语言与芯片工艺无关，利于自顶向下设计，便于模块的划分与移植，可移植性好，具有很强的逻辑描述和仿真功能，而且输入效率很高。除了这IEEE标准语言外，还有厂商自己的语言。也可以用HDL为主，原理图为辅的混合设计方式，以发挥两者的各自特色。

　　3、 功能仿真

　　功能仿真也称为前仿真是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延迟信息，仅对初步的功能进行检测。仿真前，要先利用波形编辑器和HDL等建立波形文件和测试向量（即将所关心的输入信号组合成序列），仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形，从中便可以观察各个节点信号的变化。如果发现错误，则返回设计修改逻辑设计。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等软件。

　　4、 综合优化

　　所谓综合就是将较高级抽象层次的描述转化成较低层次的描述。综合优化根据目标与要求优化所生成的逻辑连接，使层次设计平面化，供FPGA布局布线软件进行实现。就目前的层次来看，综合优化（Synthesis）是指将设计输入编译成由与门、或门、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表，而并非真实的门级电路。真实具体的门级电路需要利用FPGA制造商的布局布线功能，根据综合后生成的标准门级结构网表来产生。为了能转换成标准的门级结构网表，HDL程序的编写必须符合特定综合器所要求的风格。由于门级结构、RTL级的HDL程序的综合是很成熟的技术，所有的综合器都可以支持到这一级别的综合。常用的综合工具有Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro软件以及各个FPGA厂家自己推出的综合开发工具。

　　5、 综合后仿真

　　综合后仿真检查综合结果是否和原设计一致。在仿真时，把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去，可估计门延时带来的影响。但这一步骤不能估计线延时，因此和布线后的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。目前的综合工具较为成熟，对于一般的设计可以省略这一步，但如果在布局布线后发现电路结构和设计意图不符，则需要回溯到综合后仿真来确认问题之所在。在功能仿真中介绍的软件工具一般都支持综合后仿真。

图4-1 FPGA典型设计流程

　　6、 实现与布局布线

　　布局布线可理解为利用实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定逻辑的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能链接的布线通道进行连线，并产生相应文件（如配置文件与相关报告），实现是将综合生成的逻辑网表配置到具体的FPGA芯片上，布局布线是其中最重要的过程。布局将逻辑网表中的硬件原语和底层单元合理地配置到芯片内部的固有硬件结构上，并且往往需要在速度最优和面积最优之间作出选择。布线根据布局的拓扑结构，利用芯片内部的各种连线资源，合理正确地连接各个元件。目前，FPGA的结构非常复杂，特别是在有时序约束条件时，需要利用时序驱动的引擎进行布局布线。布线结束后，软件工具会自动生成报告，提供有关设计中各部分资源的使用情况。由于只有FPGA芯片生产商对芯片结构最为了解，所以布局布线必须选择芯片开发商提供的工具。

　　7、 时序仿真

　　时序仿真，也称为后仿真，是指将布局布线的延时信息反标注到设计网表中来检测有无时序违规（即不满足时序约束条件或器件固有的时序规则，如建立时间、保持时间等）现象。时序仿真包含的延迟信息最全，也最精确，能较好地反映芯片的实际工作情况。由于不同芯片的内部延时不一样，不同的布局布线方案也给延时带来不同的影响。因此在布局布线后，通过对系统和各个模块进行时序仿真，分析其时序关系，估计系统性能，以及检查和消除竞争冒险是非常有必要的。在功能仿真中介绍的软件工具一般都支持综合后仿真。

　　8、 板级仿真与验证

　　板级仿真主要应用于高速电路设计中，对高速系统的信号完整性、电磁干扰等特征进行分析，一般都以第三方工具进行仿真和验证。

　　9、 芯片编程与调试

　　设计的最后一步就是芯片编程与调试。芯片编程是指产生使用的数据文件（位数据流文件，Bitstream Generation），然后将编程数据下载到FPGA芯片中。其中，芯片编程需要满足一定的条件，如编程电压、编程时序和编程算法等方面。逻辑分析仪（Logic Analyzer，LA）是FPGA设计的主要调试工具，但需要引出大量的测试管脚，且LA价格昂贵。目前，主流的FPGA芯片生产商都提供了内嵌的在线逻辑分析仪（如Xilinx ISE中的ChipScope、Altera QuartusII中的SignalTapII以及SignalProb）来解决上述矛盾，它们只需要占用芯片少量的逻辑资源，具有很高的实用价值。

　　FPGA设计心得

　　工作过的朋友肯定知道，公司里是很强调规范的，特别是对于大的设计（无论软件还是硬件），不按照规范走几乎是不可实现的。逻辑设计也是这样：如果不按规范做的话，过一个月后调试时发现有错，回头再看自己写的代码，估计很多信号功能都忘了，更不要说检错了；如果一个项目做了一半一个人走了，接班的估计得从头开始设计；如果需要在原来的版本基础上增加新功能，很可能也得从头来过，很难做到设计的可重用性。在逻辑方面，我觉得比较重要的规范有这些：

　　1.设计必须文档化。要将设计思路，详细实现等写入文档，然后经过严格评审通过后才能进行下一步的工作。这样做乍看起来很花时间，但是从整个项目过程来看，绝对要比一上来就写代码要节约时间，且这种做法可以使项目处于可控、可实现的状态。

　　2.代码规范。如果在另一个设计中的时钟是40ns，复位周期不变，我们只需对CLK_PERIOD进行重新例化就行了，从而使得代码更加易于重用。

　　3.信号命名要规范化。

　　a.信号名一律小写，参数用大写。

　　b.对于低电平有效的信号结尾要用_n标记，如rst_n。

　　c.端口信号排列要统一，一个信号只占一行，最好按输入输出及从哪个模块来到哪个模块去的关系排列，这样在后期仿真验证找错时后方便很多。

　　d.一个模块尽量只用一个时钟，这里的一个模块是指一个module或者是一个entity。在多时钟域的设计中涉及到跨时钟域的设计中最好有专门一个模块做时钟域的隔离。这样做可以让综合器综合出更优的结果。

　　e.尽量在底层模块上做逻辑，在高层尽量做例化，顶层模块只能做例化，禁止出现任何胶连逻辑（gluelogic），哪怕仅仅是对某个信号取反。理由同上。

　　f.在FPGA的设计上禁止用纯组合逻辑产生latch，带D触发器的latch的是允许的，比如配置寄存器就是这种类型。

　　g.一般来说，进入FPGA的信号必须先同步，以提高系统工作频率（板级）。

　　h.所有模块的输出都要寄存器化，以提高工作频率，这对设计做到时序收敛也是极有好处的。

　　i.除非是低功耗设计，不然不要用门控时钟，这会增加设计的不稳定性，在要用到门控时钟的地方，也要将门控信号用时钟的下降沿打一拍再输出与时钟相与。

　　j.禁止用计数器分频后的信号做其它模块的时钟，而要用改成时钟使能的方式，否则这种时钟满天飞的方式对设计的可靠性极为不利，也大大增加了静态时序分析的复杂性。如FPGA的输入时钟是25M的，现在系统内部要通过RS232与PC通信，要以rs232_1xclk的速率发送数据。