EDA技術(shù)與FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用

　　設(shè)計(jì)綜合就是依據(jù)邏輯設(shè)計(jì)描述和約束條件，利用開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行優(yōu)化處理，將HDL文件轉(zhuǎn)變?yōu)橛布娐穼?shí)現(xiàn)方案，其實(shí)質(zhì)就是優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的過(guò)程;

　　設(shè)計(jì)約束主要包括設(shè)計(jì)規(guī)則約束、時(shí)間約束、面積約束三種，通常時(shí)間約束的優(yōu)先級(jí)高于面積約束;

　　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)于FPGA分為編譯規(guī)劃、布局布線(P AR，Place AndRoute)、程序比特流文件產(chǎn)生;對(duì)于CPLD則是編譯、配置、比特流文件產(chǎn)生;

　　設(shè)計(jì)仿真分為功能仿真和時(shí)序時(shí)延仿真。功能仿真在設(shè)計(jì)輸入之后、綜合之前進(jìn)行，只進(jìn)行功能驗(yàn)證，又稱為前仿真。時(shí)序時(shí)延仿真在綜合和布局布線之后進(jìn)行，能夠得到目標(biāo)器件的詳細(xì)時(shí)序時(shí)延信息，又稱為后仿真;

　　器件編程是指在功能仿真與時(shí)序時(shí)延仿真正確的前提下，將綜合后形成的位流編程下載到具體的FPGA/CPLD芯片中，又稱芯片配置。FPGA/CPLD編程下載通?？墒褂肑TAG編程器、PROM文件格式器和硬件調(diào)試器三種方式，其中JTAG(JointTest Action Group，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組)是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE1149.1邊界掃描測(cè)試的訪問(wèn)接口，用作編程功能可省去專用的編程接口，減少系統(tǒng)引出線，有利于各可編程邏輯器件編程接口的統(tǒng)一，因此應(yīng)用廣泛。

　　4.FPGA設(shè)計(jì)優(yōu)化及方案改進(jìn)

　　在FPGA設(shè)計(jì)中，必須首先明確HDL源代碼編寫非常重要;不同綜合工具包含的綜合子集不同致使有些HDL語(yǔ)句在某些綜合工具中不能綜合;同一邏輯功能可用不同HDL語(yǔ)句進(jìn)行描述，但占用資源卻可能差別很大。同時(shí)應(yīng)當(dāng)深刻理解并發(fā)性是硬件描述語(yǔ)言與普通高級(jí)語(yǔ)言的根本區(qū)別，因而設(shè)計(jì)硬件電路不能受傳統(tǒng)順序執(zhí)行思維的束縛。

　　此外，我們應(yīng)當(dāng)清楚速度優(yōu)化與面積優(yōu)化在FPGA設(shè)計(jì)中占有重要地位。對(duì)于大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，速度常常是第一要求，但FPGA結(jié)構(gòu)特性、綜合工具性能、系統(tǒng)電路構(gòu)成、PCB制版情況及HDL代碼表述都會(huì)對(duì)工作速度產(chǎn)生重要影響。我們通過(guò)在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用設(shè)計(jì)、寄存器配平、關(guān)鍵路徑法可以進(jìn)行速度優(yōu)化。

　　(1)流水線設(shè)計(jì)

　　流水線(Pipelining)技術(shù)在速度優(yōu)化中相當(dāng)流行，它能顯著提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度上限，在現(xiàn)代微、數(shù)字信號(hào)處理器、MCU、高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都離不開(kāi)流水線技術(shù)。圖4與圖5是流水線設(shè)計(jì)的典型圖示，其中圖4未使用流水線設(shè)計(jì)，圖5采用了2級(jí)流水線設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中將延時(shí)較大的組合邏輯塊切割成兩塊延時(shí)大致相等的組合邏輯塊，并在這兩個(gè)邏輯塊中插入了觸發(fā)器，即滿足以下關(guān)系式：Ta=T1+T2，T1≈T2。通過(guò)分析可知，圖4中Fmax≈1/Ta;圖5中流水線第1級(jí)最高工作頻率Fmax1≈1/T1，流水線第2級(jí)最高工作頻率Fmax2≈1/T2≈1/T1，總設(shè)計(jì)最高頻率為Fmax≈Fmax1≈Fmax2≈1/T1，因此圖5設(shè)計(jì)速度較圖4提升了近一倍。

　　(2)寄存器配平(Register Balancing)

　　寄存器配平是通過(guò)配平寄存器之間的組合延時(shí)邏輯塊來(lái)實(shí)現(xiàn)速度優(yōu)化，兩個(gè)組合邏輯塊延時(shí)差別過(guò)大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)總體工作頻率Fmax取決于T1，即最大的延時(shí)模塊，從而使設(shè)計(jì)整體性能受限。通過(guò)對(duì)圖7設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，將延時(shí)較大的組合邏輯1的部分邏輯轉(zhuǎn)移到組合邏輯2中，成為圖8結(jié)構(gòu)，以減小延時(shí)T1，使t1≈t2，且滿足T1+T2=t1+t2。寄存器配平后的圖8結(jié)構(gòu)中Fmax≈1/t1>1/T1，從而提高了設(shè)計(jì)速度。

　　(3)關(guān)鍵路徑法

　　關(guān)鍵路徑是指設(shè)計(jì)中從輸入到輸出經(jīng)過(guò)的延時(shí)最長(zhǎng)的邏輯路徑，優(yōu)化關(guān)鍵路徑是提高設(shè)計(jì)工作速度的有效方法。圖9中Td1>Td2，Td1>Td3，關(guān)鍵路徑為延時(shí)Td1的模塊，由于從輸入到輸出的延時(shí)取決于延時(shí)最長(zhǎng)路徑，而與其他延時(shí)較小的路徑無(wú)關(guān)，因此減少Td1則能改善輸入到輸出的總延時(shí)。

　　在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)鍵路徑法可反復(fù)使用，直到不可能減少關(guān)鍵路徑延時(shí)為止。許多EDA開(kāi)發(fā)工具都提供時(shí)序分析器可以幫助找到延時(shí)最長(zhǎng)的關(guān)鍵路徑，以便設(shè)計(jì)者改進(jìn)設(shè)計(jì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)固定的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵路徑法是進(jìn)行速度優(yōu)化的首選方法，可與其他方法配合使用。

　　在FPGA設(shè)計(jì)中，面積優(yōu)化實(shí)質(zhì)上就是資源利用優(yōu)化，面積優(yōu)化有多種實(shí)現(xiàn)方法，諸如資源共享、邏輯優(yōu)化、串行化，其中資源共享使用較多，下面舉例說(shuō)明。

　　在利用FPGA設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常遇到同一模塊需要反復(fù)被調(diào)用，例如多位乘法器、快速進(jìn)位加法器等算術(shù)模塊，它們占用芯片資源很多，使系統(tǒng)成本及器件功耗大幅上升，因而使用資源共享技術(shù)能夠顯著優(yōu)化資源。圖10和圖11是資源共享的一個(gè)典型實(shí)例，由圖可見(jiàn)使用資源共享技術(shù)節(jié)省了一個(gè)多位乘法器，從而達(dá)到減少資源消耗、優(yōu)化面積的目的。

　　最后針對(duì)FPGA的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提出一些改進(jìn)方案，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)分為編譯規(guī)劃、布局布線(PAR，Place AndRoute)、程序比特流文件生成三個(gè)階段，當(dāng)設(shè)計(jì)不滿足性能指標(biāo)或不能完全布線時(shí)，可進(jìn)行以下改進(jìn)工作：

　　● 使用定時(shí)約束(Timing Constraints);

　　● 增大布局布線級(jí)別(PAR Effort);

　　● 對(duì)關(guān)鍵通路(Critical Paths )的數(shù)字邏輯重新設(shè)計(jì);

　　● 運(yùn)行重布線(Re-entrant Routing);

　　● 運(yùn)行MPPR(Multi-Pass Place Route，多通路布局布線);

　　● 運(yùn)行平面布局(Floorplan)查看布局圖及連通性。

　　下面重點(diǎn)介紹Re-entrant Routing與MPPR，它們都可改進(jìn)布局布線結(jié)果，提高系統(tǒng)性能。其中Re-entrantRouting是指已運(yùn)行過(guò)PAR后再次運(yùn)行PAR，但跳過(guò)布局過(guò)程直接進(jìn)行布線，如圖12所示。MPPR則是根據(jù)不同功耗表(Costtables)來(lái)運(yùn)行PAR多次，通過(guò)對(duì)每一個(gè)PAR迭代評(píng)分來(lái)確定最好路徑并保留，其中評(píng)分依據(jù)是未布線的連線個(gè)數(shù)、連線延遲與時(shí)序約束。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　當(dāng)今社會(huì)，集成電路產(chǎn)業(yè)已成為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的核心戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，已逐漸演化為設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，它正進(jìn)入以知識(shí)產(chǎn)權(quán)為創(chuàng)新核心的新時(shí)期。這標(biāo)志著集成電路產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)已由技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)、資本競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入到智力和知識(shí)產(chǎn)權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的高級(jí)階段。

　　FPGA在集成電路設(shè)計(jì)應(yīng)用中占有重要地位，現(xiàn)場(chǎng)可編程性是FPGA最突出的優(yōu)點(diǎn)。用戶通過(guò)利用強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具，能在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)FPGA內(nèi)部邏輯進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)及修改，直至滿意為止，這大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，提高了最終產(chǎn)品性能。因而FPGA以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)發(fā)展及工藝進(jìn)步，作為重中之重的集成電路設(shè)計(jì)業(yè)必將遇到更大的挑戰(zhàn)及發(fā)展機(jī)遇。