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典型FPGA开发基本流程.pdf
典型FPGA开发基本流程及注意事项
时间 2014-7-12 yanwh
本文是根据FPGA技术牛人历年来的经验所总结出来的关于FPGA开发基本流
程及注意事项基本介绍,希望给初学者丁点帮助。众所周知,FPGA是可编程芯
片,因此FPGA 的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分。硬件包括FPGA芯片
电路、 存储器、输入输出接口电路以及其他设备,软件即是相应的HDL程序以
及嵌入式C程序。
由于目前微电子技术已经发展到SOC阶段,即集成系统(IntegratedSystem)
阶段,相对于集成电路(IC)的设计思想有着革命性的变化。SOC是一个复杂的系
统,它将一个完整产品的功能集成在一个芯片上,包括核心处理器、存储单元、
硬件加速单元以及众多的外部设备接口等,具有设计周期长、实现成本高等特点,
因此其设计方法必然是自顶向下的从系统级到功能模块的软、硬件协同设计,达
到软、硬件的无缝结合。
这么庞大的工作量显然超出了单个工程师的能力,因此需要按照层次化、结
构化的设计方法来实施。首先由总设计师将整个软件开发任务划分为若干个可操
作的模块,并对其接口和资源进行评估,编制出相应的行为或结构模型,再将其
分配给下一层的设计师。这就允许多个设计者同时设计一个硬件系统中的不同模
块,并为自己所设计的模块负责;然后由上层设计师对下层模块进行功能验证。
自顶向下的设计流程从系统级设计开始,划分为若干个二级单元,然后再把
各个二级单元划分为下一层次的基本单元。一直下去,直到能够使用基本模块或
者IP核直接实现为止,流行的FPGA开发工具都提供了层次化管理,可以有效地
梳理错综复杂的层次,能够方便地查看某一层次模块的源代码以修改错误。
在工程实践中,还存在软件编译时长的问题。由于大型设计包含多个复杂的
功能模块,其时序收敛与仿真验证复杂度很高,为了满足时序指标的要求,往往
需要反复修改源文件,再对所修改的新版本进行重新编译,直到满足要求为止。
这里面存在两个问题:首先,软件编译一次需要长达数小时甚至数周的时间,这
是开发所不能容忍的;其次,重新编译和布局布线后结果差异很大,会将已满足
时序的电路破坏。因此必须提出一种有效提高设计性能,继承已有结果、便于团
队化设计的软件工具。FPGA厂商意识到这类需求,由此开发出了相应的逻辑锁
定和增量设计的软件工具。例如,赛灵思公司的解决方案就 PlanAhead。
Planahead允许高层设计者为不同的模块划分相应FPGA芯片区域,并允许底层
设计者在所给定的区域内独立地进行设计、实现和优化,等各个模块都正确后,
再进行设计整合。如果在设计整合中出现错误,单独修改即可,不会影响到其它
模块。Planahead将结构化设计方法、团队化合作设计方法以及重用继承设计方
法三者完美地结合在一起,有效地提高了设计效率,缩短了设计周期。
不过从其描述可以看出,新型的设计方法对系统顶层设计师有很高的要求。
在设计初期,他们不仅要评估每个子模块所消耗的资源,还需要给出相应的时序
关系。在设计后期,需要根据底层模块的实现情况完成相应的修订。
典型FPGA开发流程与注意事项
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
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