利用APTIX MP3C和Spartan-IIE FPGA實(shí)現數據系統的
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摘要：隨著(zhù)數字電路設計的規模及復雜程度的提高，對其進(jìn)行測試試驗證所花費的時(shí)間和費用也隨之提高，所以減少測試驗證成本是當前數字電路設計的關(guān)鍵。本文利用MP3C和Spartan-IIE FPGA構建平臺來(lái)實(shí)現數字系統的快速驗證。這二款設備都具有業(yè)界價(jià)格最低、驗證速度比較快的特點(diǎn)，利用它們可以大大提高驗證效益。
關(guān)鍵詞：集成電路 MP3C FPGA 網(wǎng)表文件
MP3C系統是Aptix公司的產(chǎn)品，是一種價(jià)格低、驗證速度快、基于層次化和模塊化的硬件驗證平臺，可以逐步驗證每一個(gè)邏輯模塊直到驗證整個(gè)系統功能。MP3C硬件中的現場(chǎng)可編程互連電路板（FPCB）和現場(chǎng)可編程互連元件（FPIC）是Aptix公司的專(zhuān)利技術(shù)，圖1給出了FPCB和FPIC在MP3C上的部件孔模塊。通過(guò)該系統可以40MHz的最快速度調試百萬(wàn)門(mén)級的片上系統；可實(shí)時(shí)運行軟件作為系統測試矢量；加速仿真與遞歸測試速度和加速完成設計變更；還可隨時(shí)利用最新FPGA技術(shù)滿(mǎn)足更大的設計規模需要。此外，MP3C也可以對復雜數字系統進(jìn)行快速驗證，其中包括ASIC、DSP、微控制器、微處理器、RAM和ROM等。MP3C系統比較適合小批量、多品種的生產(chǎn)。
1．1 現場(chǎng)可編程電路板FPCB
MP3C的FPCB是一個(gè)2216、16層的插孔板，根據應用和設計需求，可以把一些外圍器件、接口和多個(gè)FPGA等放置在FPCB上，就像面包板一樣，因此非常靈活方便，這些外圍部件再通過(guò)FPIC互相連接起來(lái)。MP3C FPCB由許多硬件組成。
（1）插孔區（freehole area）
插孔區分為上下二部分，分別用A到P標記，共64列，每列有40個(gè)可用插孔，有2560個(gè)插孔可以使用，除去16列作為I/O，共有1920個(gè)插孔連接到FPIC上。每列有15個(gè)FPGA特殊引腳，包括CLK、GDN和VCC等。
（2）全局互連（global interconnects）
全局連接是FPIC到FPIC的布線(xiàn)源，3個(gè)FPIC中每一個(gè)都有140根連線(xiàn)連接到其他兩個(gè)FPIC，這樣就會(huì )提供280個(gè)FPIC到FPIC之間的連接，而每一個(gè)FPIC的920個(gè)布線(xiàn)網(wǎng)中有280個(gè)用于FPIC到FPIC之間的連接，其余640個(gè)用于連接FPCB上的部件插孔區域，這樣就可以實(shí)現部件之間的互連，如圖2所示。
（3）總線(xiàn)（bus）
除了通過(guò)FPIC的布線(xiàn)網(wǎng)和全局連接來(lái)實(shí)現部件之間的互連外，還可以通過(guò)MP3C提供的一個(gè)總線(xiàn)結構來(lái)實(shí)現互連。MP3C系統共有4個(gè)總線(xiàn)模板連接器，每一個(gè)模板連接器有40個(gè)總線(xiàn)引腳，而一個(gè)FPGA能夠訪(fǎng)問(wèn)二個(gè)總線(xiàn)模板，這就可以獲得80個(gè)總線(xiàn)引腳。
（4）I/O信號
I/O信號使得MP3C FPCB可以和其他設備之間進(jìn)行通信，它們是進(jìn)出FPCB的信號。（5）微控制器（microcontroller）
微控制器能為主機系統和MP3C FPCB上的可重配置FPGA之間的通信提供智能接口，微控制器控制FPCB上的能量時(shí)序。微控制器的操作系統是存儲在被保護的Flash memory的根塊區，僅需128kByte，這個(gè)3.4Mbyte的Flash存儲器主要用來(lái)存儲FPIC和FPGA之間的配置數據。
MP3C含有3塊FPIC，每一塊FPIC有1024個(gè)緩沖器，排列成一個(gè)3232矩陣形式，FPIC是可重構的雙向連接，每一個(gè)緩沖器之間都可以任意布線(xiàn)，使得插接到FPCB上的外圍設備達到互連，而每一個(gè)FPIC之間都有140根連線(xiàn)連接到另二個(gè)FPIC中的任意一個(gè)，這樣，對于每一個(gè)FPIC來(lái)說(shuō)就有280根互連線(xiàn)來(lái)實(shí)現FPIC與FPIC之間的互連。實(shí)際上，FPIC就是一個(gè)由軟件控制的可編程接口，它能使用戶(hù)對設計的修改變得非常靈活。圖2表明了它們之間的連接關(guān)系。
1．2 與MP3C配套的EXPLORER軟件
Aptix Explorer軟件可以提供一個(gè)圖形用戶(hù)接口GUI（Graphical User Interface），這上GUI能夠生成設計，并對設計進(jìn)行編輯和調試。通過(guò)Explorer軟件可以提供一個(gè)直觀(guān)有效的接口來(lái)對設計做一系列的操作。EXPLORER軟件主要完成整個(gè)系統的搭建、FPGA的布局布線(xiàn)和FPCB的編譯。其操作步驟如下：
（1）設置FPCB參數
用來(lái)配置FPCB參數，如說(shuō)明所使用的FPCB板類(lèi)型、FPIC序列和說(shuō)明使用的是那一個(gè)FPIC等。
（2）對網(wǎng)表文件（netlist）和設計文件進(jìn)行設置。
主要輸入網(wǎng)表文件和與設計有關(guān)的文件，Explorer軟件支持EDIF和XNF格式的網(wǎng)表文件。
（3）設置Power和Ground
主要是為了說(shuō)明在部件和針插孔上的Power和Ground引腳是被拉高還是拉低。
主要設置節點(diǎn)驅動(dòng)值，其值的范圍為0～100，驅動(dòng)值的大小決定了節點(diǎn)在FPIC內部的布線(xiàn)順序。驅動(dòng)值越大就越先布線(xiàn)，因此，可以?xún)?yōu)先選擇最短的路徑。
（5）在FPCB上放置部件
把數字系統設計中的模塊放到FPCB上。
（6）對設計進(jìn)行編譯
編譯可以使被仿真的部件之間實(shí)現布線(xiàn)連接，還能控制Explorer軟件和FPCB硬件之間的互連。
（7）對設計進(jìn)行調試
這是幫助下載帶有新信號布線(xiàn)信息的FPCB信息到MP3C硬件上的過(guò)程，做完這一步就可以對設計進(jìn)行驗證、測試和調試。
2 Spartan-IIE FPGA
2.1 Spartan-IIE FPGA的組成
Spartan-IIE FPGA提供了創(chuàng )建成本優(yōu)化、應用靈活、功能豐富的產(chǎn)品所需要的一切，它的開(kāi)發(fā)過(guò)程遠比任何采用ASIC的方案要容易得多（成本也更低）。該系統板主要包括兩個(gè)時(shí)鐘源、通用I/O、電源供給、P160擴展槽、LVD 10位接收和傳輸端口、開(kāi)關(guān)按鈕、7段顯示器、JTAG端口、RS-232端口、ISP PROM和XC2S300E-5FG456C FPGA等。其中XC2S300E-5FG456C FPGA和ISP PROM是比較重要的部件。圖3是Spartan-IIE開(kāi)發(fā)板內部結構。
用Spartan-IIE開(kāi)發(fā)板來(lái)配置Spartan-IIE FPGA的方法有很多：可以通過(guò)其JTAG端口直接配置Spartan-IIE FPGA；通過(guò)編程在板X(qián)C18V02 ISP PROM進(jìn)行配置，一旦ISP PROM被編程，通過(guò)配置端口就能直接配置Spartan-IIE FPGA；也可以通過(guò)在系統板上的從動(dòng)并行/串行端口來(lái)配置FPGA。圖4給出Spartan-IIE開(kāi)發(fā)板支持的Spartan-IIE FPGA配置連接模式。
3 驗證系統
用APTIX MP3C和Spartan-IIE開(kāi)發(fā)板實(shí)現對數字系統進(jìn)行驗證的系統組成如圖5所示。
在這個(gè)驗證系統中，把需要驗證的電路放到MP3C FPCB上，Spartan-IIE開(kāi)發(fā)板通過(guò)J6或J7通過(guò)I/O口連接到FPCB硬件，Spartan-IIE開(kāi)發(fā)板通過(guò)串口/并口號計算機相連，工作站通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與MP3C通信，也可以把邏輯分析儀連接到MP3C上，實(shí)現對系統的在線(xiàn)觀(guān)察調試。具體驗證步驟如下：
（1）用51指令對待驗證電路需要的輸入信號和激勵進(jìn)行編程，程序經(jīng)編譯后轉換成匯編語(yǔ)言，然后寫(xiě)入R80515 IP核以便下載到Spartan-IIE FPGA,d Xilinx ISE軟件中對IP核進(jìn)行仿真和綜合后直接通過(guò)并口下載到FPGA中。
（2）用CAD軟件如OrCAD等完成系統頂層原理圖的繪制，需注意其中的接地和電源信號，然后生成網(wǎng)表文件（netlist），把網(wǎng)表文件傳到安裝了EXPLORER軟件的工作站上。
（3）在工作站的EXPLORER軟件上完成整個(gè)系統的搭建、MP3C相關(guān)參數的設置、輸入網(wǎng)表文件、生成引腳匹配（pinmap）文件和完成MP3C地址設定等，如果在EXPLORER syslib庫中沒(méi)有所需要的庫，還要自己建庫，然后就可以進(jìn)行編譯和調試。
（4）用邏輯分析儀或示波器對某些信號進(jìn)行觀(guān)察，以便進(jìn)一步查錯和糾錯。這種方法可以很方便地幫助用戶(hù)找到出錯的原因。
（5）把驗證電路最后輸出的結果暫存于Spartan-IIE的存儲器中，然后利用串口調試程序在微機上察看結果。目前有很多串口調試程序，如RS-232/RS-485串口通訊程序XP就是一個(gè)比較好的程序，如果輸出的結果不正確，就需要檢查錯誤原因，錯誤有可能在硬件方面，也有可能在軟件方面，修改之后回到第一步重新進(jìn)行驗證。
4 結束語(yǔ)
筆者用這種方法成功實(shí)現了對一個(gè)復雜FFT電路的驗證。MP3C最具特色的地方就是可編程互連電路板（FPCB）和可編程互連元件（FPIC）的應用，FPIC在FPGA模塊之間提供可編程互連使得在整個(gè)設計過(guò)程中不用對PCB板進(jìn)行設計和生產(chǎn)，從而節省了費用；在FPGA上實(shí)現了數字系統的設計，允許將FPGA直接安裝到主板上，可以隨著(zhù)設計FPGA的設計程序重新編制，無(wú)需修改其他FPGA，并且可隨時(shí)利用最新FPGA技術(shù)滿(mǎn)足更大規模的設計，因此大大增加了設計的靈活性和方便性；還可以對系統進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)修改、調試，方便快捷。MP3C的這些特點(diǎn)大大提高了IC驗證的效益。
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