超詳細(xì)的FPGA芯片解讀(圖文)

FPGA開發(fā)流程

原理圖和HDL（Hardware DescriptiIon Language，硬件描述語(yǔ)言）是兩種最常用的數(shù)字硬件電路描述方法，其中HDL設(shè)計(jì)法具有更好的可移植性、通用性和模塊劃分與重用性的特點(diǎn)，在目前的工程設(shè)計(jì)中被廣泛使用，下面對(duì)FPGA設(shè)計(jì)熟悉電路時(shí)的開發(fā)流程是基于HDL的。

1.系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先要進(jìn)行的是方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和FPGA芯片選擇等準(zhǔn)備工作。系統(tǒng)工程師根據(jù)任務(wù)要求，如系統(tǒng)的指標(biāo)和復(fù)雜度，對(duì)工作速度和芯片本身的各種資源、成本等方面進(jìn)行權(quán)衡，選擇合理的設(shè)計(jì)方案和合適的器件類型。一般都采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，把系統(tǒng)分成若干個(gè)基本單元，然后再把每個(gè)基本單元?jiǎng)澐譃橄乱粚哟蔚幕�本單元，一直這樣做下去，直到可以直接使用EDA元件庫(kù)為止。

2.RTL級(jí)HDL設(shè)計(jì)

RTL級(jí)（RegisterTransferLevel，寄存器傳輸級(jí)）指不關(guān)注寄存器和組合邏輯的細(xì)節(jié)（如使用了多少個(gè)邏輯門、邏輯門的連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等），通過(guò)描述數(shù)據(jù)在寄存器之間的流動(dòng)和如何處理、控制這些數(shù)據(jù)流動(dòng)的模型的HDL設(shè)計(jì)方法。RTL級(jí)比門級(jí)更抽象，同時(shí)也更簡(jiǎn)單和高效。RTL級(jí)的最大特點(diǎn)是可以直接用綜合工具將其綜合成為門級(jí)網(wǎng)表，其中RTL級(jí)設(shè)計(jì)直接決定著系統(tǒng)的功能和效率。

3.RTL級(jí)仿真

也稱為功能（行為）仿真，或是綜合前仿真，是在編譯之前對(duì)用戶所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證，此時(shí)的仿真沒(méi)有延遲信息，僅對(duì)初步的功能進(jìn)行檢測(cè)。仿真前，要先利用波形編輯器和HDL等建立波形文件和測(cè)試向量（即將所關(guān)心的輸入信號(hào)組合成序列），仿真結(jié)果將會(huì)生成報(bào)告文件和輸出信號(hào)波形，從中便可以觀察各個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的變化。如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則返回設(shè)計(jì)修改邏輯設(shè)計(jì)。

常用的工具有ModelTech公司的ModelSim、Sysnopsys公司的VCS和Cadence公司的NC-Verilog以及NC-VHDL等軟件。雖然功能仿真不是FPGA開發(fā)過(guò)程中的必需步驟，但卻是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一步。

為了提高功能仿真的效率，需要建立測(cè)試平臺(tái)testbench，其測(cè)試激勵(lì)一般使用行為級(jí)HDL語(yǔ)言描述，其中RTL級(jí)模塊是可綜合的，它是行為級(jí)模塊的一個(gè)子集合。

4.綜合

所謂綜合就是將較高級(jí)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(biāo)與要求優(yōu)化所生成的邏輯連接，使層次設(shè)計(jì) 平面化，供FPGA布局布線軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。就目前的層次來(lái)看，綜合優(yōu)化（Synthesis）是指將設(shè)計(jì)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(shí)的門級(jí)電路。

真實(shí)具體的門級(jí)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(biāo)準(zhǔn)門級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來(lái)產(chǎn)生。為了能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的門級(jí)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(fēng)格。由于門級(jí)結(jié)構(gòu)、RTL級(jí)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(jí)別的綜合。常用的綜合工具有Synplicity公司的Synplify/SynplifyPro軟件以及各個(gè)FPGA廠家自己推出的綜合開發(fā)工具。

5.門級(jí)仿真

也稱為綜合后仿真，綜合后仿真檢查綜合結(jié)果是否和原設(shè)計(jì)一致。在仿真時(shí)，把綜合生成的標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)文件反標(biāo)注到綜合仿真模型中去，可估計(jì)門延時(shí)帶來(lái)的影響。 但這一步驟不能估計(jì)線延時(shí)，因此和布線后的實(shí)際情況還有一定的差距，并不十分準(zhǔn)確。

目前的綜合工具較為成熟，對(duì)于一般的設(shè)計(jì)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(jì)意圖不符，則需要回溯到綜合后仿真來(lái)確認(rèn)問(wèn)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.布局布線

實(shí)現(xiàn)是將綜合生成的邏輯網(wǎng)表配置到具體的FPGA芯片上，將工程的邏輯和時(shí)序與器件的可用資源匹配。布局布線是其中最重要的過(guò)程，布局將邏輯網(wǎng)表中的硬件原語(yǔ)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?fù)浣Y(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(gè)元件。也可以簡(jiǎn)單地將布局布線理解為對(duì)FPGA內(nèi)部查找表和寄存器資源的合理配置，布局可以被理解挑選可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)網(wǎng)表的最優(yōu)的資源組合，而布線就是將這些查找表和寄存器資源以最優(yōu)方式連接起來(lái)。

目前，F(xiàn)PGA的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，特別是在有時(shí)序約束條件時(shí)，需要利用時(shí)序驅(qū)動(dòng)的引擎進(jìn)行布局布線。布線結(jié)束后，軟件工具會(huì)自動(dòng)生成報(bào)告，提供有關(guān)設(shè)計(jì)中各部分資源的使用情況。由于只有FPGA芯片生產(chǎn)商對(duì)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.時(shí)序仿真

是指將布局布線的延時(shí)信息反標(biāo)注到設(shè)計(jì)網(wǎng)表中來(lái)檢測(cè)有無(wú)時(shí)序違規(guī)（即不滿足時(shí)序約束條件或器件固有的時(shí)序規(guī)則，如建立時(shí)間、保持時(shí)間等）現(xiàn)象。時(shí)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(shí)際工作情況。

由于不同芯片的內(nèi)部延時(shí)不一樣，不同的布局布線方案也給延時(shí)帶來(lái)不同的影響。因此在布局布線后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)和各個(gè)模塊進(jìn)行時(shí)序仿真，分析其時(shí)序關(guān)系，估計(jì)系統(tǒng)性能，以及檢查和消除競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)是非常有必要的。

8.FPGA板級(jí)調(diào)試

通過(guò)編程器將布局布線后的配置文件下載至FPGA中，對(duì)其硬件進(jìn)行編程。配置文件一般為.pof或.sof文件格式，下載的方式包括AS（主動(dòng)）、PS（被動(dòng)）、JTAG（邊界掃描）等方式。

邏輯分析儀（LogicAnalyzer，LA）是FPGA設(shè)計(jì)的主要調(diào)試工具，但需要引出大量的測(cè)試管腳，且LA價(jià)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XilinxISE中的ChipScope、AlteraQuartusII中的SignalTapII以及SignalProb）來(lái)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(shí)用價(jià)值。

FPGA為什么這么難？

雖然有“萬(wàn)能芯片”的美譽(yù)，但是FPGA在全球范圍內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模還非常有限，遠(yuǎn)不及CPU及GPU市場(chǎng)規(guī)模。造成這一種現(xiàn)象的原因，最主要是FPGA行業(yè)門檻非常高。

根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)顯示，2015年至2020年全球FPGA市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率為9%，到2020年全球FPGA 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)84億美金。在這樣的市場(chǎng)環(huán)境下，企業(yè)想要生存下去困難程度可想而知，特別是起步較晚的國(guó)內(nèi)企業(yè)。

如果回看其發(fā)展歷程，自1984年Xilinx創(chuàng)造出FPGA之后，先后有上百家行業(yè)巨頭都?xì)⑷脒@一領(lǐng)域，而最終的結(jié)果確實(shí)絕大部分企業(yè)都鎩羽而歸，例如Intel、Philips、Agere Systems、AMD以及摩托羅拉等國(guó)際知名的芯片設(shè)計(jì)廠商。能夠幸存下來(lái)的幾家企業(yè)就顯得彌足珍貴了。

而對(duì)于國(guó)內(nèi)FPGA企業(yè)而言，在初期階段可能都或多或少借鑒了國(guó)外產(chǎn)品。但是想要將產(chǎn)品大規(guī)模推向市場(chǎng)，就必須面臨技術(shù)專利問(wèn)題。實(shí)際上，國(guó)外企業(yè)已經(jīng)壟斷了絕大部分專利技術(shù)。國(guó)內(nèi)廠商想要進(jìn)入，首先就必須自己自主開發(fā)芯片結(jié)構(gòu)，避免專利侵權(quán)，這對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)而言無(wú)疑是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

除了芯片架構(gòu)之外，在FPGA開發(fā)過(guò)程中所涉及到的仿真工具之前一直依賴進(jìn)口，這對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)而言無(wú)疑又是另一項(xiàng)非常大的挑戰(zhàn)，需要國(guó)內(nèi)廠商在硬件及軟件兩方面持續(xù)不斷投入。目前，國(guó)內(nèi)廠商在軟件方面，也在重點(diǎn)突破，并且已經(jīng)取得了一些成績(jī)。

另外，正如前文所言，F(xiàn)PGA是一個(gè)門檻非常高的行業(yè)。在市場(chǎng)推廣過(guò)程中，原廠需要對(duì)客戶進(jìn)行專業(yè)指導(dǎo)，這無(wú)形中也增加了其他品牌產(chǎn)品替換的難度。由此也導(dǎo)致了，F(xiàn)PGA產(chǎn)品更新?lián)Q代頻率比較低，市場(chǎng)空間也難于像電腦、智能手機(jī)等出現(xiàn)大的飛躍。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持