面向FPGA的EDA工具突破復雜性屏障

FPGA器件不僅提供可與許多ASIC器件媲美的運行速度和門(mén)電路容量，而且促進(jìn)了EDA工具在該市場(chǎng)中的發(fā)展。

要點(diǎn)

FPGA 提供單片系統設計需要的功能。

多數 FPGA 廠(chǎng)商提供自己的開(kāi)發(fā)支持軟件。

靈活地以多個(gè)廠(chǎng)商的器件為目標的工程師們需要來(lái)自傳統 EDA 廠(chǎng)商的軟件工具?！　“雽w制造技術(shù)的進(jìn)步是 FPGA 普及性提高的主要原因。過(guò)去，只要工程師們能夠只使用一塊 PLD 或 FPGA 來(lái)實(shí)現比較簡(jiǎn)單的膠合邏輯電路，使用具有更大靈活性和更低批量生產(chǎn)成本的ASIC 器件就是在 IC 上實(shí)現特定功能的唯一解決方法?，F在，FPGA 廠(chǎng)商們正在以 130 納米和 90 納米以及1/2間距尺寸來(lái)制造器件。這些器件不僅使設計師能實(shí)現需要 100 多萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)的電路，而且還能提供豐富的 IP(知識產(chǎn)權)芯核庫，可用以縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低成本。而與此同時(shí)，利用同樣的 130 納米和 90 納米技術(shù)制造的 ASIC 器件，其 NRE(一次性工程)成本卻急劇上升?？梢?jiàn)，犯一個(gè)需要一套新掩模的錯誤，就會(huì )輕易付出 25 ～ 100 萬(wàn)美元的代價(jià)，代價(jià)大小視錯誤嚴重程度而定。

因此，管理人員經(jīng)常選擇使用 FPGA 器件，要么是為了實(shí)現產(chǎn)品的整個(gè)壽命，如果應用系統只需要幾萬(wàn)個(gè)器件的話(huà)，要么是為了制造原型產(chǎn)品和提高批量。一旦批量生產(chǎn)表明一個(gè)設計很穩定，工程師們就可以把該設計移植到 ASIC 器件上。移植一般是很容易的，因為在大多數應用系統中，工程師都不利用器件的現場(chǎng)可編程能力——一度是把這些器件與 PLD 區分開(kāi)的主要特點(diǎn)。FPGA 器件之所以有吸引力，乃是因為修改某種實(shí)現方法的費用實(shí)際上等于工程開(kāi)發(fā)費用。因此，FPGA器件允許工程師們使用具有吸引力的調試方法尤其是使用在硬件和軟件的集成要求盡可能早地在開(kāi)發(fā)周期內就有硬件原型的嵌入式系統中。FPGA 結構中沒(méi)有標準的微處理器芯核，這曾經(jīng)嚴重妨礙工程師把這些器件用于嵌入式軟件系統中。但是，從 130 納米工藝節點(diǎn)開(kāi)始，Altera 公司和 Xilinx 公司業(yè)已提供了微處理器芯核，ARM 公司也已經(jīng)使其專(zhuān)為 FPGA 定制的庫中的標準微處理器芯核可供使用。設計師們還需要一個(gè)由協(xié)處理器和外設 IP 芯核組成的庫，以便利用 FPGA 器件來(lái)實(shí)現真正的 SOC(單片系統)產(chǎn)品(見(jiàn)附文《嵌入式軟件和 FPGA：為黃金時(shí)間做好準備的搭檔》)。

FPGA 廠(chǎng)商目前提供的產(chǎn)品的密度和速度，令人信服地使 IP 廠(chǎng)商把他們的產(chǎn)品移植到 FPGA上。DSP 芯核和圖形顯示芯核正變得可供使用。當然，芯核和專(zhuān)有邏輯塊在器件內部必須互相通信，而工程師們直到最近才利用總線(xiàn)完成了這項任務(wù)。所有三種受歡迎的微處理器芯核，即 Altera 公司的 Nios 和 ARM922T(通過(guò)與 ARM 公司的許可證協(xié)議獲得)以及 Xilinx公司 的 PowerPC(通過(guò)與 IBM公司的許可證協(xié)議獲得)，都使用標準的總線(xiàn)。但是，在芯核之間傳輸數據和控制信息所需的速度，已促使 Nallatech 公司開(kāi)發(fā)一種用于 FPGA 的更快速通信方法。

根據 Nallatech 公司系統應用工程師 Craig Sanderson 的說(shuō)法，系統通信可能要花去系統開(kāi)發(fā)時(shí)間的 80%。面向 FPGA 計算應用系統的 Dimetalk 通信開(kāi)發(fā)工具，使開(kāi)發(fā)人員能夠部署利用多個(gè) FPGA 跨越各個(gè)系統的分組網(wǎng)絡(luò )。設計師可以把接口節點(diǎn)部署在網(wǎng)絡(luò )內的任何部位，也可插入邏輯塊來(lái)與外部接口通信。

FPGA要在系統設計中廣泛運用，剩下的最大障礙就是它們的單位成本。即使大批量生產(chǎn)，一個(gè) FPGA 器件的成本也高于用 ASIC 或結構化 ASIC 工藝實(shí)現的相同設計。但是，某個(gè)部件在制造期間的單位成本，在總體產(chǎn)品成本方程中正在失去其重要意義，而伴隨每一種工藝技術(shù)的使用，開(kāi)發(fā)成本以及與失去市場(chǎng)機會(huì )有關(guān)的代價(jià)正在上升至少一個(gè)數量級。同時(shí)，ASIC 和 FPGA 之間在器件單位成本方面的差別正在縮小。

廠(chǎng)商提供的工具

自2004年6 月份以來(lái)，Actel公司、Altera公司、Lattice公司 和 Xilinx公司 都推出了各自軟件的新版本。所有 FPGA 廠(chǎng)商都把第三方軟件裝入自己的產(chǎn)品中。EDA 廠(chǎng)商為 FPGA 廠(chǎng)商提供各自產(chǎn)品的定制版本，這些定制版本一般都沒(méi)有原始工具的全部功能和能力，這是因為 FPGA 廠(chǎng)商可以以相當低的價(jià)格提供各自的工具。

Actel公司 的理念是把自己的資源集中用在布局布線(xiàn)的后端流程，這就要求深入而清楚地了解體系架構。Actel公司 在 1994 年率先推出了面向 FPGA 的靜態(tài)時(shí)序分析，以幫助設計師在把設計交給芯片制造商之前實(shí)現時(shí)序收斂。該公司與傳統的 EDA 廠(chǎng)商聯(lián)袂提供前端工具，比如 Mentor Graphics 公司的 ModelSim 邏輯仿真器、Synplicity 公司的邏輯綜合 Synplify、Magma 公司用于物理綜合的 Palace。Actel把這些售價(jià)為595～2595美元的工具集成在 Libero IDE(集成設計環(huán)境)中。Libero IDE三種配置，視客戶(hù)需求而定。面向 FPGA 開(kāi)發(fā)的設計流程已經(jīng)變得很復雜了(圖 1)。對于那些更喜歡使用自己的 EDA 工具的設計師而言，Actel 公司的 Designer 包括布局布線(xiàn)工具以及靜態(tài)時(shí)序分析產(chǎn)品。

FPGA 設計方法的復雜性類(lèi)似于 ASIC 設計的復雜性?！　ltera 公司向客戶(hù)提供的 Quartus II 有 CD 和網(wǎng)上產(chǎn)品兩種形式。網(wǎng)上產(chǎn)品為用戶(hù)提供一份150 天后過(guò)期的許可證，并且只支持該公司的部分器件。自成立之日起，Altera 公司就投入了大筆資金來(lái)開(kāi)發(fā)和支持自己的設計工具。它在企業(yè)內部開(kāi)發(fā) FPGA 開(kāi)發(fā)流程中的幾乎所有工具，其中包括邏輯綜合工具和物理綜合工具。Altera 公司相信，一個(gè) FPGA 廠(chǎng)商在既開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的體系結構又開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的綜合工具時(shí)，要比不了解綜合技術(shù)時(shí)能更好地洞悉優(yōu)化器件結構的最佳方式。邏輯仿真是 Altera公司只使用第三方產(chǎn)品的唯一領(lǐng)域。Quartus II 是Altera公司生產(chǎn)的Mentor Graphics 公司 ModelSim 的翻版，但卻支持 Cadence 公司的 Incisive 仿真平臺。您還可以將 Synplicity 公司和 Synopsys公司 提供的工具與 Quartus II 中的各種工具一起使用。Quartus II 的最新版本引入了時(shí)序優(yōu)化功能和資源優(yōu)化功能，以及在用戶(hù)設計周期內對用戶(hù)進(jìn)行指導。在調試期間，工程師們也可以在調試期間得到 SignalTap II——一種嵌入式邏輯分析儀查看程序的幫助?？梢酝ㄟ^(guò)年度訂用許可證方式來(lái)獲得 Quartus II 軟件，起價(jià)是 2000 美元。

Lattice Semiconductor 公司推出 ispLever 設計工具套件的 4.1 版。它包括可編程邏輯設計從概念到最后實(shí)現所需的所有工具。它包括的工具有設計輸入工具、項目管理工具、設計調整工具、布局布線(xiàn)工具、平面規劃工具、器件編程工具和芯片邏輯分析工具。工程師們可在 Synplicity公司 或 Mentor公司 的綜合產(chǎn)品之間做選擇，而且還可得到一個(gè)為基于 Lattice 產(chǎn)品的設計而定制的 ModelSim 版本。Lattice 公司也提供自己的功能仿真器。ispLever 的標價(jià)從 995 美元開(kāi)始。

Xilinx 公司是另一家在 EDA 工具開(kāi)發(fā)方面投入大量資金的 FPGA 廠(chǎng)商。該公司的 ISE 設計工具有五種配置，你可以從中選擇。Xilinx公司最近用6.3i 版本更新了ISE 開(kāi)發(fā)環(huán)境，6.3i 版本支持FPGA 用戶(hù)的從前端至后端的整個(gè)流程。在前端，ISE 包括 Pace 和 ISE Floorplanner 平面規劃工具。Xilinx 還收購了 Hier Design公司，現在可提供 RTL floorplanner Plan Ahead，可作為 ISE 客戶(hù)單獨購買(mǎi)的選件。工程師們可以將 ModelSim 或 Synopsys Verilog 仿真器與ISE一起使用。Project Navigator 是 ISE 的主要作業(yè)管理器，能使用戶(hù)配置并驅動(dòng)設計實(shí)現方法。ISE 提供一種由 Xilinx 公司內部開(kāi)發(fā)的綜合工具，不過(guò) Synplicity公司、Mentor公司 和 Synopsys 公司也提供各種綜合工具，工程師們可以將它們與ISE一起使用。ISE 的五種配置的價(jià)格不等，可從網(wǎng)上下載的軟件包是免費的，而ISE Foundation則為2495美元。

第三方工具

曾經(jīng)有很多年，可編程器件過(guò)于簡(jiǎn)單，EDA 廠(chǎng)商發(fā)現他們找不到足夠理由把EDA工具推向市場(chǎng)。使用 FPGA 和 PLD 的大多數工程師都是印制電路板開(kāi)發(fā)人員，他們沒(méi)有機會(huì )利用那些以 IC 設計為目標的 EDA 工具。FPGA 廠(chǎng)商之所以開(kāi)發(fā)自己的基于原理圖的工具，乃是因為，即使在今天，印制電路板設計師仍使用原理圖來(lái)使設計進(jìn)入開(kāi)發(fā)流程。FPGA廠(chǎng)商們不是將 FPGA 工具免費提供給大批量生產(chǎn)的用戶(hù)，就是以低于 1000 美元的價(jià)格出售。隨著(zhù)器件越來(lái)越復雜，工程師們開(kāi)始希望先驗證設計，然后再在電路試驗板上加以實(shí)現，這是因為使用示波器或邏輯分析儀來(lái)調試電路很費時(shí)間?，F在已并入 Mentor Graphics 公司的Model Technology 公司曾很快進(jìn)入該市場(chǎng)，目前在 FPGA 驗證領(lǐng)域居統治地位，盡管其它一些 EDA 廠(chǎng)商也在參與該市場(chǎng)。