數(shù)字集成電路的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路到大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等不同的階段。發(fā)展到現(xiàn)在，主要有3類電子器件：存儲器、處理器和邏輯器件。

存儲器保存隨機(jī)信息（電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容）；處理器執(zhí)行軟件指令，以便完成各種任務(wù)（運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序或視頻游戲）；而邏輯器件可以提供特殊功能（器件之間的通信和系統(tǒng)必須執(zhí)行的其他所有功能）。邏輯器件分成兩類：

1.固定的或定制的。

2.可編程的或可變的。

其中，固定的或定制的邏輯器件通常稱為專用芯片（ASIC）。ASIC是為了滿足特定的用途而設(shè)計的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點(diǎn)是通過固化的邏輯功能和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了芯片的成本，同時提高了產(chǎn)品的可靠性。隨著集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不斷的縮小。

FPGA的硬件設(shè)計技巧

1、管腳兼容性設(shè)計前面的內(nèi)容提到過，F(xiàn)PGA在芯片選項的時候要盡量選擇兼容性好的封裝。那么，在硬件電路設(shè)計時，就要考慮如何兼容多種芯片的問題。2、根據(jù)電路布局來分配管腳功能FPGA的通用I/O功能定義可以根據(jù)需要來指定。在電路圖設(shè)計的流程中，如果能夠根據(jù)PCB的布局來對應(yīng)的調(diào)整原理圖中FPGA的管腳定義，就可以讓后期的布線工作更順利。3、預(yù)留測試點(diǎn)目前FPGA提供的I/O數(shù)量越來越多，除了能夠滿足設(shè)計需要的I/O外，還有一些剩余I/O沒有定義。這些I/O可以作為預(yù)留的測試點(diǎn)來使用。 如果FPGA有預(yù)留的測試點(diǎn)，那么可以將要測試的信號從FPGA內(nèi)部指定到這些預(yù)留的測試點(diǎn)上。這樣既能測試到這些信號的波形，又不會影響SDRAM的工作。 如果電路測試過程中發(fā)現(xiàn)需要飛線才能解決問題，那么這些預(yù)留的測試點(diǎn)還可以作為飛線的過渡點(diǎn)。-

FPGA設(shè)計者的5項基本功介紹

在小編看來，成為一名說得過去的FPGA設(shè)計者，需要練好5項基本功：仿真、綜合、時序分析、調(diào)試、驗證。 需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，以上基本功是針對FPGA設(shè)計者來說的，不是針對IC設(shè)計者的。對于IC設(shè)計，不太懂，所以不敢妄言。對于FPGA設(shè)計者來說，練好這5項基本功，與用好相應(yīng)的EDA工具是同一過程，對應(yīng)關(guān)系如下：1.、仿真：Modelsim， Quartus II（Simulator Tool） 2.、綜合：Quartus II （Compiler Tool， RTL Viewer， Technology Map Viewer， Chip Planner） 3、 時序：Quartus II （TimeQuest Timing Analyzer， Technology Map Viewer， Chip Planner） 4、調(diào)試：Quartus II （SignalTap II Logic Analyzer， Virtual JTAG， Assignment Editor） 5、驗證：Modelsim， Quartus II（Test Bench Template Writer） 掌握HDL語言雖然不是FPGA設(shè)計的全部，但是HDL語言對FPGA設(shè)計的影響貫穿于整個FPGA設(shè)計流程中，與FPGA設(shè)計的5項基本功是相輔相成的。 對于FPGA設(shè)計者來說，用好“HDL語言的可綜合子集”可以完成FPGA設(shè)計50%的工作——設(shè)計編碼。練好仿真、綜合、時序分析這3項基本功，對于學(xué)習(xí)“HDL語言的可綜合子集”有如下幫助： 1. 通過仿真，可以觀察HDL語言在FPGA中的邏輯行為。 2. 通過綜合，可以觀察HDL語言在FPGA中的物理實現(xiàn)形式。 3. 通過時序分析，可以分析HDL語言在FPGA中的物理實現(xiàn)特性。對于FPGA設(shè)計者來說，用好“HDL語言的驗證子集”，可以完成FPGA設(shè)計另外50%的工作——調(diào)試驗證。1. 搭建驗證環(huán)境，通過仿真的手段可以檢驗FPGA設(shè)計的正確性。 2. 全面的仿真驗證可以減少FPGA硬件調(diào)試的工作量。 3.把硬件調(diào)試與仿真驗證方法結(jié)合起來，用調(diào)試解決仿真未驗證的問題，用仿真保證已經(jīng)解決的問題不在調(diào)試中再現(xiàn)，可以建立一個回歸驗證流程，有助于FPGA設(shè)計項目的維護(hù)。 FPGA設(shè)計者的這5項基本功不是孤立的，必須結(jié)合使用，才能完成一個完整的FPGA設(shè)計流程。反過來說，通過完成一個完整的設(shè)計流程，才能最有效地練習(xí)這5項基本功。對這5項基本功有了初步認(rèn)識，就可以逐個深入學(xué)習(xí)一些，然后把學(xué)到的知識再次用于完整的設(shè)計流程。如此反復(fù)，就可以逐步提高設(shè)計水平。采用這樣的循序漸進(jìn)、螺旋式上升的方法，只要通過培訓(xùn)入了門，就可以自學(xué)自練，自我提高。 市面上出售的有關(guān)FPGA設(shè)計的書籍為了保證結(jié)構(gòu)的完整性，對FPGA設(shè)計的每一個方面分開介紹，每一方面雖然深入，但是由于缺少其他相關(guān)方面的支持，讀者很難付諸實踐，只有通讀完全書才能對FPGA設(shè)計獲得一個整體的認(rèn)識。這樣的書籍，作為工程培訓(xùn)指導(dǎo)書不行，可以作為某一個方面進(jìn)階的參考書。如何使用現(xiàn)有的書籍進(jìn)行自學(xué)，這是后話。 對于新入職的員工來說，他們往往對FPGA的整體設(shè)計流程有了初步認(rèn)識，5項基本功的某幾個方面可能很扎實。但是由于某個或某幾個方面能力的欠缺，限制了他們獨(dú)自完成整個設(shè)計流程的能力。入職培訓(xùn)的目的就是幫助他們掌握整體設(shè)計流程，培養(yǎng)自我獲取信息的能力，通過幾個設(shè)計流程來回的訓(xùn)練，形成自我促進(jìn)、自我發(fā)展的良性循環(huán)。在這一過程中，隨著對工作涉及的知識的廣度和深度的認(rèn)識逐步清晰，新員工的自信心也會逐步增強(qiáng)，對個人的發(fā)展方向也會逐步明確，才能積極主動地參與到工程項目中來。

FPGA的設(shè)計流程

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(jìn)行開發(fā)的過程。典型FPGA的開發(fā)流程一般如圖4.1.1所示，包括功能定義/器件選型、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。1、功能定義/器件選型在FPGA設(shè)計項目開始之前，必須有系統(tǒng)功能的定義和模塊的劃分，另外就是要根據(jù)任務(wù)要求，如系統(tǒng)的功能和復(fù)雜度，對工作速度和器件本身的資源、成本、以及連線的可布性等方面進(jìn)行權(quán)衡，選擇合適的設(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(hù)，不利于模塊構(gòu)造和重用。更主要的缺點(diǎn)是可移植性差，當(dāng)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(jī)等表達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，其共同的突出特點(diǎn)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(qiáng)的邏輯描述和仿真功能，而且輸入效率很高。除了這IEEE標(biāo)準(zhǔn)語言外，還有廠商自己的語言。也可以用HDL為主，原理圖為輔的混合設(shè)計方式，以發(fā)揮兩者的各自特色。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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(biāo)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來產(chǎn)生。為了能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)延時文件反標(biāo)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(zhǔn)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(rèn)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。

圖4-1 FPGA典型設(shè)計流程 6、 實現(xiàn)與布局布線 布局布線可理解為利用實現(xiàn)工具把邏輯映射到目標(biāo)器件結(jié)構(gòu)的資源中，決定邏輯的最佳布局，選擇邏輯與輸入輸出功能鏈接的布線通道進(jìn)行連線，并產(chǎn)生相應(yīng)文件（如配置文件與相關(guān)報告），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?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(jìn)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、 時序仿真時序仿真，也稱為后仿真，是指將布局布線的延時信息反標(biāo)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(jìn)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(jìn)行分析，一般都以第三方工具進(jìn)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。

FPGA設(shè)計心得

工作過的朋友肯定知道，公司里是很強(qiáng)調(diào)規(guī)范的，特別是對于大的設(shè)計（無論軟件還是硬件），不按照規(guī)范走幾乎是不可實現(xiàn)的。邏輯設(shè)計也是這樣：如果不按規(guī)范做的話，過一個月后調(diào)試時發(fā)現(xiàn)有錯，回頭再看自己寫的代碼，估計很多信號功能都忘了，更不要說檢錯了；如果一個項目做了一半一個人走了，接班的估計得從頭開始設(shè)計；如果需要在原來的版本基礎(chǔ)上增加新功能，很可能也得從頭來過，很難做到設(shè)計的可重用性。在邏輯方面，我覺得比較重要的規(guī)范有這些： 1.設(shè)計必須文檔化。要將設(shè)計思路，詳細(xì)實現(xiàn)等寫入文檔，然后經(jīng)過嚴(yán)格評審?fù)ㄟ^后才能進(jìn)行下一步的工作。這樣做乍看起來很花時間，但是從整個項目過程來看，絕對要比一上來就寫代碼要節(jié)約時間，且這種做法可以使項目處于可控、可實現(xiàn)的狀態(tài)。 2.代碼規(guī)范。如果在另一個設(shè)計中的時鐘是40ns，復(fù)位周期不變，我們只需對CLK_PERIOD進(jìn)行重新例化就行了，從而使得代碼更加易于重用。 3.信號命名要規(guī)范化。 a.信號名一律小寫，參數(shù)用大寫。 b.對于低電平有效的信號結(jié)尾要用_n標(biāo)記，如rst_n。 c.端口信號排列要統(tǒng)一，一個信號只占一行，最好按輸入輸出及從哪個模塊來到哪個模塊去的關(guān)系排列，這樣在后期仿真驗證找錯時后方便很多。 d.一個模塊盡量只用一個時鐘，這里的一個模塊是指一個module或者是一個entity。在多時鐘域的設(shè)計中涉及到跨時鐘域的設(shè)計中最好有專門一個模塊做時鐘域的隔離。這樣做可以讓綜合器綜合出更優(yōu)的結(jié)果。 e.盡量在底層模塊上做邏輯，在高層盡量做例化，頂層模塊只能做例化，禁止出現(xiàn)任何膠連邏輯（gluelogic），哪怕僅僅是對某個信號取反。理由同上。 f.在FPGA的設(shè)計上禁止用純組合邏輯產(chǎn)生latch，帶D觸發(fā)器的latch的是允許的，比如配置寄存器就是這種類型。 g.一般來說，進(jìn)入FPGA的信號必須先同步，以提高系統(tǒng)工作頻率（板級）。 h.所有模塊的輸出都要寄存器化，以提高工作頻率，這對設(shè)計做到時序收斂也是極有好處的。 i.除非是低功耗設(shè)計，不然不要用門控時鐘，這會增加設(shè)計的不穩(wěn)定性，在要用到門控時鐘的地方，也要將門控信號用時鐘的下降沿打一拍再輸出與時鐘相與。 j.禁止用計數(shù)器分頻后的信號做其它模塊的時鐘，而要用改成時鐘使能的方式，否則這種時鐘滿天飛的方式對設(shè)計的可靠性極為不利，也大大增加了靜態(tài)時序分析的復(fù)雜性。如FPGA的輸入時鐘是25M的，現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部要通過RS232與PC通信，要以rs232_1xclk的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。
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