FPGA設(shè)計工具淺談

作為一個負責FPGA企業(yè)市場營銷團隊工作的人，我不得不說，由于在工藝技術(shù)方面的顯著成就以及硅芯片設(shè)計領(lǐng)域的獨創(chuàng)性，F(xiàn)PGA正不斷實現(xiàn)其支持片上系統(tǒng)設(shè)計的承諾。隨著每一代新產(chǎn)品的推出，F(xiàn)PGA在系統(tǒng)中具有越來來越多的功能，可作為協(xié)處理器、DSP 引擎以及通信平臺等，在某些應(yīng)用領(lǐng)域甚至還可用作完整的片上系統(tǒng)。

因此，在摩爾定律的作用下，F(xiàn)PGA產(chǎn)品的門數(shù)量不斷增加，性能與專門功能逐漸加強，使得FPGA在電子系統(tǒng)領(lǐng)域能夠取代此前只有ASIC和ASSP才能發(fā)揮的作用。不過，說到底，F(xiàn)PGA必須要有適當?shù)脑O(shè)計工具輔助，讓設(shè)計人員充分發(fā)揮其作用，否則再好的產(chǎn)品也毫無意義。

毫無疑問，隨著FPGA硅芯片的更新?lián)Q代、推陳出新，F(xiàn)PGA工具在改進綜合運行時間、編譯時間以及布局布線算法方面取得重大進步的同時，實現(xiàn)了更低的功耗和更高的性能。不過，上述進步基本沒有體現(xiàn)在嵌入式軟件方面，而且DSP設(shè)計人員或系統(tǒng)架構(gòu)工程師并不熟悉FPGA設(shè)計工作。盡管FPGA的性能和定制要優(yōu)于MPU和ASSP，但許多設(shè)計團隊由于不熟悉 FPGA設(shè)計，仍然選擇MPU或ASSP。這種情況真的不該埋怨設(shè)計團隊，畢竟MPU或ASSP的設(shè)計工作要簡便快捷一些，而且學習新的設(shè)計技術(shù)需要時間，導(dǎo)致設(shè)計團隊的設(shè)計周期延長。若想幫助FPGA用戶獲得成功，就必須實現(xiàn)設(shè)計工作的自動化，但又不能強行定義用戶的設(shè)計流程。

從另一個角度來看，要想進一步推廣FPGA，就需要在現(xiàn)有VHDL和Verilog設(shè)計人員的基礎(chǔ)上進一步滿足嵌入式軟件以及DSP等其他設(shè)計領(lǐng)域的需求和設(shè)計方法要求。這些設(shè)計人員有自己的具體要求，需要不同的設(shè)計方法和語言。應(yīng)構(gòu)建一個適當?shù)钠脚_，使 FPGA廠商及其第三方生態(tài)合作伙伴能夠在此基礎(chǔ)上滿足具體應(yīng)用及市場的需求。

例如，隨著最新Virtex-6與Spartan-6 FPGA系列產(chǎn)品的推出，賽靈思開始向客戶推薦“目標設(shè)計平臺”的理念。

目標設(shè)計平臺在充分考慮到客戶設(shè)計進程和成功需求的基礎(chǔ)上集成了五大關(guān)鍵組件：FPGA器件、IP核、采用業(yè)界驗證方法的設(shè)計環(huán)境、強大的參考設(shè)計和可擴展的開發(fā)板和套件。作為上述方案的一部分，我們還優(yōu)化了工具，旨在為邏輯、嵌入式、DSP以及系統(tǒng)級設(shè)計等特定設(shè)計領(lǐng)域提供所需的各種工具和IP，確保提高設(shè)計團隊的工作效率。邏輯設(shè)計人員自然要確保獲得含有所有傳統(tǒng)FPGA工具的完整RTL設(shè)計流程，以滿足高級平面布置、在線驗證以及漸增實施的需求。不過，F(xiàn)PGA廠商需要從其他各領(lǐng)域設(shè)計人員的切實需求出發(fā)，以便使嵌入式與DSP設(shè)計人員以及系統(tǒng)架構(gòu)師能將設(shè)計工作的各方面聯(lián)系在一起，高效地使用可編程邏輯。

FPGA 廠商多年來一直支持嵌入式和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，并目睹了市場的巨大變革。尤其是過去兩年半以來，我們看到了平均有20%的嵌入式設(shè)計客戶正在使用一個以上的處理器。過去，客戶面臨的挑戰(zhàn)主要是如何自己獨立完成設(shè)計工作，而現(xiàn)在，必須為客戶提供可簡化系統(tǒng)生成的更加自動化的設(shè)計流程，充分發(fā)揮多處理器的作用。

嵌入式設(shè)計人員需要一種新的設(shè)計方法，讓他們能夠快速配置硬件平臺，并創(chuàng)建包括適當?shù)膸臁⒆詣由傻脑O(shè)備驅(qū)動程序及完整開發(fā)板支持套件的定制軟件設(shè)計方案。這種高效環(huán)境能加速開發(fā)進程，節(jié)約開發(fā)時間，從而避免容易出錯的手動操作。此外，設(shè)計人員還要能夠創(chuàng)建自己的定制處理平臺，將外部功能集成到FPGA中，從而降低系統(tǒng)成本。這可幫助他們在系統(tǒng)特性與尺寸間，以及軟／硬件特性間實現(xiàn)最佳平衡，從而實現(xiàn)最高性價比。

下面就來談?wù)凞SP設(shè)計流程。為了幫助在FPGA中實施復(fù)雜算法的算法開發(fā)人員，我們要為設(shè)計人員提供高度自動化的流程，而且即便設(shè)計人員不熟悉硬件描述語言，也不影響設(shè)計工作。設(shè)計人員應(yīng)當在整體系統(tǒng)開發(fā)流程早期階段就能使用DSP設(shè)計環(huán)境來開發(fā)高級算法的硬件解決方案，或組裝全套DSP 系統(tǒng)，便于生產(chǎn)。

DSP設(shè)計流程通常包括以下步驟：

● 用The MathWorks推出的業(yè)界標準工具配合賽靈思的System Generator與AccelDSP 綜合工具開發(fā)并驗證硬件模型。

● 生成HDL位和周期仿真精確的電路圖，也就是說，其行為確保符合原始模型中的功能。

● 設(shè)計綜合并生成比特流，用于 FPGA的編程?，F(xiàn)在FPGA設(shè)計人員無須將DSP工程師或系統(tǒng)架構(gòu)師的設(shè)計方案轉(zhuǎn)變?yōu)镠DL，從而避免了既耗時且容易出錯的步驟。

在本模型中，設(shè)計人員可使用過濾器，過濾器的系數(shù)需要適應(yīng)于即將通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，因此我們可通過共享存儲器向過濾器添加處理器組件。設(shè)計人員還能在系統(tǒng)生成器中調(diào)用軟件開發(fā)套件，編寫一些C代碼，以便根據(jù)數(shù)據(jù)更新系數(shù)，并編輯整個模塊，將其下載到開發(fā)板上進行實時調(diào)試，仍用 SimuLink或MATLAB測試基準實現(xiàn)硬件協(xié)同仿真。最后，如需要修改某些C 代碼，設(shè)計人員可即時進行修改，且無須對設(shè)計方案進行再編譯。

系統(tǒng)架構(gòu)工程師的角色就是完成整個設(shè)計工作，根據(jù)設(shè)計方案的復(fù)雜程度，他們可能需要在嵌入式、DSP和 RTL等領(lǐng)域跨領(lǐng)域工作。這時，F(xiàn)PGA廠商就需要提供系統(tǒng)級和RTL級工具。

系統(tǒng)設(shè)計的理念需要集成不同領(lǐng)域的技術(shù)知識，在FPGA中更好地利用資源。隨著應(yīng)用對DSP功能的依賴程度越來越高，我們可讓處理器充分利用加速器的作用，從而大幅提高性能。事實上，F(xiàn)PGA專用系統(tǒng)設(shè)計的一大優(yōu)勢就在于它能執(zhí)行系統(tǒng)分區(qū)，控制軟硬件實施的平衡。對許多用戶來說，已經(jīng)沒必要對低級HDL語言進行算法優(yōu)化。

FPGA為設(shè)計、實施和修改片上系統(tǒng)級硬件提供了高度的靈活性，在目前全球產(chǎn)業(yè)面臨巨大壓力的情況下，這種靈活性對設(shè)計人員尤為重要，而且正不斷服務(wù)于更多的產(chǎn)業(yè)、公司和工程師。甚至在產(chǎn)品的設(shè)計階段，電子系統(tǒng)的設(shè)計人員就面臨著不斷加劇的商業(yè)挑戰(zhàn)和日益苛刻的產(chǎn)品要求，所以必須利用 FPGA來解決難題，否則就難以工作。FPGA廠商要與合作伙伴一道致力于提供新的設(shè)計方法，幫助客戶跟上快速發(fā)展的業(yè)務(wù)和產(chǎn)品要求的步伐，不斷實現(xiàn)進步。不僅要滿足FPGA硅芯片的發(fā)展要求，還要滿足相關(guān)工具發(fā)展的要求，從而提供更加以市場為導(dǎo)向的、用戶更加友好的設(shè)計體驗。