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2.3 仿真验证
从广义上讲,设计验证包括功能与时序仿真和电路验证。仿真是指使用设计软件包对已实现的设计进行完整测试,模拟实际物理环境下的工作情况。前仿真是指仅对逻辑功能进行测试模拟,以了解其实现的功能是否满足原设计的要求,仿真过程没有加入时序信息,不涉及具体器件的硬件特性,如延时特性;而在布局布线后,提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数,并在此基础上进行的仿真称为后仿真,它是接近真实器件运行的仿真。
2.4 设计实现
实现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块连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)。通常可分为如下五个步骤:
(1)转换:将多个设计文件进行转换并合并到一个设计库文件中。
(2)映射:将网表中逻辑门映射成物理元素,即把逻辑设计分割到构成可编程逻辑阵列内的可配置逻辑块与输入输出块及其它资源中的过程。
(3)布局与布线:布局是指从映射取出定义的逻辑和输入输出块,并把它们分配到FPGA内部的物理位置,通常基于某种先进的算法,如最小分割、模拟退火和一般的受力方向张弛等来完成;布线是指利用自动布线软件使用布线资源选择路径试着完成所有的逻辑连接。因最新的设计实现工具是时序驱动的,即在器件的布局布线期间对整个信号通道执行时序分析,因此可以使用约束条件操纵布线软件,完成设计规定的性能要求。在布局布线过程中,可同时提取时序信息形成报告。
(4)时序提取:产生一反标文件,供给后续的时序仿真使用。
(5)配置:产生FPGA配置时所需要的位流文件。
在实现过程中可以进行选项设置。因其支持增量设计,可以使其重复多次布线,且每次布线利用上一次布线信息以使其布线更优或达到设计目标。在实现过程中应设置默认配置的下载形式,以使后续位流下载正常。
2.5 时序分析
在设计实现过程中,在映射后需要对一个设计的实际功能块的延时和估计的布线延时进行时序分析;而在布局布线后,也要对实际布局布线的功能块延时和实际布线延时进行静态时序分析。从某种程度来讲,静态时序分析可以说是整个FPGA设计中最重要的步骤,它允许设计者详尽地分析所有关键路径并得出一个有次序的报告,而且报告中含有其它调试信息,比如每个网络节点的扇出或容性负载等。静态时序分析器可以用来检查设计的逻辑和时序,以便计算各通路性能,识别可能的踪迹,检测建立和保持时间的配合,时序分析器不要求用户产生输入激励或测试矢量。虽然Xilinx与Altera在FPGA开发套件上拥有时序分析工具,但在拥有第三方专门时序分析工具的情况下,仅利用FPGA厂家设计工具进行布局布线,而使用第三方的专门时序分析工具进行时序分析,一般FPGA厂商在其设计环境下皆有与第三方时序分析工具的接口。Synopsys公司的PrimeTime是一个很好的时序分析工具,利用它可以达到更好的效果。将综合后的网表文件保存为db格式,可在PrimeTime环境下打开。利用此软件查看关键路径或设计者感兴趣的通路的时序,并对其进行分析,再次对原来的设计进行时序约束,可以提高工作主频或减少关键路径的延时。与综合过程相似,静态时序分析也是一个重复的过程,它与布局布线步骤紧密相连,这个操作通常要进行多次直到时序约束得到很好的满足。
在综合与时序仿真过程中交互使用PrimeTime进行时序分析,满足设计要求后即可进行FPGA芯片投片前的最终物理验证。
2.6 下载验证
下载是在功能仿真与时序仿真正确的前提下,将综合后形成的位流下载到具体的FPGA芯片中,也叫芯片配置。FPGA设计有两种配置形式:直接由计算机经过专用下载电缆进行配置;由外围配置芯片进行上电时自动配置。因FPGA具有掉电信息丢失的性质,因此可在验证初期使用电缆直接下载位流,如有必要再将其烧录到配置芯片中(如Xilinx的XC18V系列,Altera的EPC2系列)。使用电缆下载时有多种下载方式,如对Xilinx公司的FPGA下载可以使用JTAG Programmer、Hardware Programmer、PROM Programmer三种方式,而对Altera公司的FPGA可以选择JTAG方式或Passive Serial方式。因FPGA大多支持IEEE的JTAG标准,所以使用芯片上的JTAG口是常用下载方式。
将位流文件下载到FPGA器件内部后进行实际器件的物理测试即为电路验证,当得到正确的验证结果后就证明了设计的正确性。电路验证对FPGA投片生产具有较大意义。
3 基于多种EDA工具的FPGA设计
仿真工具Modelsim与综合工具FPGA Compiler II及布线工具Foundation Series或Quartus相配合实现FPGA设计的流程图如图3所示。
