FPGA開(kāi)發(fā)流程：詳述每一環(huán)節的物理含義和實(shí)現目標

5.5.1 測試平臺

所謂testbench,即測試平臺，詳細的說(shuō)就是給待驗證的設計添加激勵，同時(shí)觀(guān)察輸出響應是否符合設計要求。測試平臺，測試平臺在做功能仿真、靜態(tài)仿真和時(shí)序仿真的時(shí)候都需要用到。剛開(kāi)始的對于一些初學(xué)者，遇到的都是一些簡(jiǎn)單的東西，測試平臺相應的也很簡(jiǎn)單，用一個(gè)文件就可以很清晰的呈現測試結構。對于一些復雜的項目，測試就沒(méi)有那么簡(jiǎn)單了，由此還專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生一個(gè)行業(yè)——測試行業(yè)。這個(gè)時(shí)候我們要用到一個(gè)概念就是結構化測試。

一個(gè)完整的測試平臺如下圖10所示，它是分結構組成的，其中對設計測試結果的判斷不僅可以通過(guò)觀(guān)察對比波形得到，而且可以靈活使用腳本命令將有用的輸出信息打印到終端或者產(chǎn)生文本進(jìn)行觀(guān)察，也可以寫(xiě)一段代碼讓它們自動(dòng)比較輸出結果。

測試平臺的設計是多種多樣，可以使用靈活的Verilog的驗證腳本，但是它也是基于硬件語(yǔ)言但是又服務(wù)于軟件測試的語(yǔ)言，有時(shí)并行有時(shí)順序，只有掌握這些關(guān)鍵點(diǎn)，才能很好服務(wù)測試。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，不管大家是已經(jīng)在用Verilog在寫(xiě)測試平臺還是剛學(xué)習寫(xiě)測試平臺，那么建議大家還是能用到System Verilog中相對Verilog新的語(yǔ)法還是嘗試的用，System Verilog是一種趨勢，它本身就是向下兼容的第三代的Verilog。

5.5.2 RTL級仿真

這里RTL級仿真屬于第一道檢測，有些場(chǎng)合稱(chēng)作功能仿真，為了突出和后面的靜態(tài)仿真的區別，以免在后面介紹靜態(tài)仿真的時(shí)候大家弄的很頭大，我們還是這樣稱(chēng)呼。它是對工程在寄存器轉送級進(jìn)行的描述時(shí)進(jìn)行測試，查看其在RTL級描述的時(shí)候實(shí)現的功能的正確性。

關(guān)于RTL級仿真，如果設計中設計到原理圖輸入的話(huà)，在一些仿真工具中是不支持的，比如Modelsim，這個(gè)時(shí)候要進(jìn)行功能上的驗證，可以將原理圖轉換成HDL描述，或者直接把整個(gè)工程轉換成LUT門(mén)級網(wǎng)表后進(jìn)行后面要講到的靜態(tài)仿真完成。

所有邏輯功能的驗證都希望在RTL級做，盡可能的將問(wèn)題發(fā)現在RTL級仿真過(guò)程中，減少后面發(fā)現問(wèn)題帶來(lái)的反復。

5.5.3 靜態(tài)仿真

靜態(tài)仿真，有些地方給的外號叫門(mén)級仿真，確切的說(shuō)應該是綜合后的LUT門(mén)級網(wǎng)表。是在綜合過(guò)程后做的仿真。有些開(kāi)發(fā)平臺下將靜態(tài)仿真具體又分為編譯仿真和映射仿真，比如ISE就是這樣做的，但是個(gè)人覺(jué)得應該很少場(chǎng)合做這個(gè)編譯仿真。靜態(tài)仿真的目的就是驗證當工程到了用LUT門(mén)級網(wǎng)表描述的時(shí)候，從功能上檢查驗證工程的正確性。

不管是Altera還是Xilinx的開(kāi)發(fā)平臺，都直接支持靜態(tài)仿真，但是由于各自廠(chǎng)家的仿真器專(zhuān)業(yè)性不強，我們還是用第三方仿真工具比較多。這時(shí)候在第三方工具下的輸入必須是經(jīng)過(guò)綜合工具綜合出來(lái)的涵蓋工程所有信息的LUT門(mén)級網(wǎng)表文件了。一般專(zhuān)業(yè)一點(diǎn)的第三方綜合工具是不具備綜合功能的，至少我們在使用Modelsim的時(shí)候，并沒(méi)有要求我們添加工程用到的具體的哪一款型號FPGA的信息。這也是靜態(tài)仿真的外號門(mén)級仿真指的是LUT門(mén)級網(wǎng)表仿真的依據。

5.5.4 時(shí)序仿真

時(shí)序仿真是在布局布線(xiàn)之后做的，在前面介紹時(shí)序約束的時(shí)候講到，布線(xiàn)延時(shí)問(wèn)題影響到了電路的性能的時(shí)候可以做時(shí)序約束。那么這個(gè)延時(shí)問(wèn)題的獲得就可以通過(guò)時(shí)序仿真獲得，當然還有一種獲得延時(shí)出現超載情況，這個(gè)屬于下面小節介紹的靜態(tài)時(shí)序分析了。

一般情況下，電路進(jìn)行完布線(xiàn)過(guò)程后，會(huì )生成一個(gè)延時(shí)信息文件，我們簡(jiǎn)稱(chēng)SDF(standrad dealy format)文件，Quartus平臺下是以.sdo文件形式存在的。里面含有三種延時(shí)信息，分別為最小值、典型值、最大值，存在的形式是最小值：典型值：最大值，一般縮寫(xiě)min:typ:max。這里也體現了，在FPGA里的延時(shí)信息是不能夠精確獲得的，只能是逼近，因為本身同一器件中，不同的區域的邏輯門(mén)也很有可能和其他的區域內同種的邏輯門(mén)的延時(shí)不一樣。我們這里舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明一下這三種值的含義。

如上圖，這是一個(gè)描述一段延時(shí)線(xiàn)的延時(shí)信息，給的延時(shí)信息從in端點(diǎn)到out端點(diǎn)，輸入發(fā)生跳變后，分別以最小值、典型值和最大值將信號跳變傳遞到out端點(diǎn)。我們這里只是一段延時(shí)線(xiàn)，在延時(shí)信息文件里還有一類(lèi)延時(shí)信息，就是一些具有邏輯功能的cell延時(shí)，這個(gè)時(shí)候信號跳變又分為由高變低和有低變高，因為這兩種跳變在這些器件里的三種延時(shí)值是不一樣的，得分別探討，具體分別以某一種情況類(lèi)推。

在做后仿真的時(shí)候，只需要在做完靜態(tài)仿真后的基礎上添加布線(xiàn)的延時(shí)信息后，再分析邏輯功能是否滿(mǎn)足要求。后方針的平臺 使用情況和前面一樣，一般采用第三方仿真工具，典型的是Modlesim，具體操作過(guò)程見(jiàn)軟件相關(guān)操作章節。

5.6靜態(tài)時(shí)序分析

靜態(tài)時(shí)序分析，簡(jiǎn)稱(chēng)STA(Static Timing Analysis)，這個(gè)過(guò)程做的話(huà)一把是在是做后仿真前做的。在布局布線(xiàn)后，會(huì )生成時(shí)序分析報告，該報告是分析工具利用從布線(xiàn)的路勁上提取出寄生參數后精確計算出來(lái)的。該報告中會(huì )提示出一些關(guān)鍵路徑，所謂關(guān)鍵路勁就是指延時(shí)信息比較突出的信號節點(diǎn)流，通過(guò)分析可以得到不滿(mǎn)足時(shí)序要求的路徑，這個(gè)過(guò)程就是STA過(guò)程。

靜態(tài)時(shí)序分析的特點(diǎn)就是不需要輸入向量就能窮盡所有的路徑，且運行速度很快、占用內存較少，不僅可以對芯片設計進(jìn)行全面的時(shí)序功能檢查，而且還可利用時(shí)序分析的結果來(lái)優(yōu)化設計。很多設計都可以在功能驗證的成功的基礎上，加上一個(gè)很好的靜態(tài)時(shí)序分析，就可以替代耗時(shí)非常長(cháng)的后仿真了，這是一種很有保障性的化簡(jiǎn)流程方式。后仿真相對靜態(tài)時(shí)序分析來(lái)說(shuō)還具有邏輯驗證，在加上延時(shí)信息的基礎上分析邏輯。

5.7在線(xiàn)調試

在線(xiàn)調試也稱(chēng)作板級調試，它是將工程下載到FPGA芯片上后分析代碼運行的情況。有人會(huì )以為，我們不是已經(jīng)做了仿真了，甚至是時(shí)序仿真都通過(guò)了，還會(huì )存在問(wèn)題么?在實(shí)際中，存在這么些情況我們需要用到在線(xiàn)調試：

仿真不全面而沒(méi)有發(fā)現的FPGA設計錯誤。很多情況下，由于太復雜，無(wú)法做到100%的代碼覆蓋率;

在板級交互中，存在異步事件，很難做仿真，或者仿真起來(lái)時(shí)間很長(cháng)，無(wú)法運行;

除了本身FPGA外，還可能存在板上互連可靠性問(wèn)題、電源問(wèn)題和IC之間的信號干擾問(wèn)題，都可能導致系統運行出錯;

其他潛在問(wèn)題。

在線(xiàn)調試的方式主要有兩種，一種是利用外部測試設備，把內部信號傳送到FPGA針腳上，然后用示波器或者邏輯分析儀觀(guān)察信號;另一種就是利用嵌入式邏輯分析儀，在設計中插入邏輯分析儀，利用JTAG邊緣數據掃描和開(kāi)發(fā)工具完成數據交互。

嵌入式邏輯分析儀的原理相當與在FPGA中開(kāi)辟一個(gè)環(huán)形存儲器，存儲器的大小決定了能夠查看的數據的深度，是可以人為設定的，但是不得超出資源。在FPGA內部，根據設置的需要查看的信號節點(diǎn)信息和驅動(dòng)的采樣時(shí)鐘，對信息進(jìn)行采樣，并放置到設定的存儲空間里，存儲空間是環(huán)形的，內容隨時(shí)間更新。然后通過(guò)判斷觸發(fā)點(diǎn)來(lái)檢查采集數據，一旦滿(mǎn)足觸發(fā)條件，這個(gè)時(shí)候會(huì )停止掃描，然后將觸發(fā)點(diǎn)前后的一些數據返回給PC端的測試工具進(jìn)行波形顯示，供開(kāi)發(fā)者進(jìn)行調試。

目前的調試工具都是和本身的FPGA開(kāi)發(fā)平臺掛鉤的，不同FPGA廠(chǎng)商都會(huì )有開(kāi)發(fā)軟件平臺，嵌入式邏輯分析儀也就不同。Altera 廠(chǎng)家提供的是SignalTapII，而 Xilinx廠(chǎng)家提供的是 ChipScope，這些工具的具體使用在后面工具中詳解。

當然這里除了嵌入式邏輯分析儀外，各廠(chǎng)家還提供了一些其他的在線(xiàn)調試工具，例如SignalProbe等等，但是或多或少的用的人不是很多，有興趣的可以找到該功能使用的說(shuō)明手冊。

5.8 配置及固化

好了，到了我們最后一個(gè)環(huán)節就可以完成FPGA的流程了。這一部分我們分四個(gè)小節來(lái)講，首先是針對大家很多人不是太清楚的FPGA配置過(guò)程安排的，隨后一節為了更加深理解，舉了altera 的FPGA敘述配置全過(guò)程，第三小節是探討FPGA主要的配置模式，最后一節就是正對這些配置模式展開(kāi)的對比選擇探討。

5.8.1 FPGA配置過(guò)程

在FPGA正常工作時(shí)，配置數據存儲在SRAM中，這個(gè)SRAM單元也被稱(chēng)為配置存儲器(configure RAM)。由于SRAM是易失性存儲器，因此在FPGA上電之后，外部電路需要將配置數據重新載入到芯片內的配置RAM中。在芯片配置完成之后，內部的寄存器以及I/O管腳必須進(jìn)行初始化(initialization)，等到初始化完成以后，芯片才會(huì )按照用戶(hù)設計的功能正常工作，即進(jìn)入用戶(hù)模式。

FPGA上電以后首先進(jìn)入配置模式(configuration)，在最后一個(gè)配置數據載入到FPGA以后，進(jìn)入初始化模式(initialization)，在初始化完成后進(jìn)入用戶(hù)模式(user-mode)。在配置模式和初始化模式下，FPGA的用戶(hù)I/O處于高阻態(tài)(或內部弱上拉狀態(tài))，當進(jìn)入用戶(hù)模式下，用戶(hù)I/O就按照用戶(hù)設計的功能工作。

5.8.2 舉例——altera FPGA配置全過(guò)程

一個(gè)器件完整的配置過(guò)程將經(jīng)歷復位、配置和初始化等3個(gè)過(guò)程。FPGA正常上電后，當其nCONFIG管腳被拉低時(shí)，器件處于復位狀態(tài)，這時(shí)所有的配置RAM內容被清空，并且所有I/O處于高阻態(tài)，FPGA的狀態(tài)管腳nSTATUS和CONFIG_DONE管腳也將輸出為低。當FPGA的nCONFIG管腳上出現一個(gè)從低到高的跳變以后，配置就開(kāi)始了，同時(shí)芯片還會(huì )去采樣配置模式(MSEL)管腳的信號狀態(tài)，決定接受何種配置模式。隨之，芯片將釋放漏極開(kāi)路(open-drain)輸出的nSTATUS管腳，使其由片外的上拉電阻拉高，這樣，就表示FPGA可以接收配置數據了。在配置之前和配置過(guò)程中，FPGA的用戶(hù)I/O均處于高阻態(tài)。

在接收配置數據的過(guò)程中，配置數據由DATA管腳送入，而配置時(shí)鐘信號由DCLK管腳送入，配置數據在DCLK的上升沿被鎖存到FPGA中，當配置數據被全部載入到FPGA中以后，FPGA上的CONF_DONE信號就會(huì )被釋放，而漏極開(kāi)路輸出的CONF_DONE信號同樣將由外部的上拉電阻拉高。因此，CONF_DONE管腳的從低到高的跳變意味著(zhù)配置的完成，初始化過(guò)程的開(kāi)始，而并不是芯片開(kāi)始正常工作。

INIT_DONE是初始化完成的指示信號，它是FPGA中可選的信號，需要通過(guò)Quartus II工具中的設置決定是否使用該管腳。在初始化過(guò)程中，內部邏輯、內部寄存器和I/O寄存器將被初始化，I/O驅動(dòng)器將被使能。當初始化完成以后，器件上漏極開(kāi)始輸出的INIT_DONE管腳被釋放，同時(shí)被外部的上拉電阻拉高。這時(shí)，FPGA完全進(jìn)入用戶(hù)模式，所有的內部邏輯以及I/O都按照用戶(hù)的設計運行，這時(shí)，那些FPGA配置過(guò)程中的I/O弱上拉將不復存在。不過(guò)，還有一些器件在用戶(hù)模式下I/O也有可編程的弱上拉電阻。在完成配置以后，DCLK信號和DATA管腳不應該被浮空(floating),而應該被拉成固定電平，高或低都可以。

如果需要重新配置FPGA，就需要在外部將nCONFIG重新拉低一段時(shí)間，然后再拉高。當nCONFIG被拉低吼，nSTATUS和CONF_DONE也將隨即被FPGA芯片拉低，配置RAM被清，所有I/O都變成三態(tài)。當nCONFIG和nSTATUS都變?yōu)楦邥r(shí)，重新配置就開(kāi)始了。

5.8.3 配置模式

這一塊分成兩部分，一部分是在線(xiàn)調試配置，另一塊是固化，即將工程配置到相應存儲單元中，上電后，通過(guò)存儲在存儲器中的內容配置FPGA。

在線(xiàn)配置

第一部分在線(xiàn)調試配置過(guò)程是通過(guò)JTAG模式完成的，如圖13所示，在JTAG模式中，PC和FPGA通信的時(shí)鐘為JTAG接口的TCLK，數據直接從TDI進(jìn)入FPGA，完成相應功能的配置。

JTAG接口是一個(gè)業(yè)界標準接口，主要用于芯片測試等功能。FPGA基本上都可以支持JTAG命令來(lái)配置FPGA的方式，而且JTAG配置方式比其他任何方式優(yōu)先級都高。JTAG接口有4個(gè)必需的信號TDI, TDO, TMS和TCK以及1個(gè)可選信號TRST構成，其中：

TDI，用于測試數據的輸入;

TDO，用于測試數據的輸出;

TMS，模式控制管腳，決定JTAG電路內部的TAP狀態(tài)機的跳變;

TCK，測試時(shí)鐘，其他信號線(xiàn)都必須與之同步;

TRST，可選，如果JTAG電路不用，可以講其連到GND。

固化

第二部分固化程序到存儲器中的過(guò)程可以分為兩種方式，主模式和從模式。主模式下

FPGA器件引導配置操作過(guò)程，它控制著(zhù)外部存儲器和初始化過(guò)程;從模式下則由外部計算機或控制器控制配置過(guò)程。主、從模式從傳輸數據寬度上，又分別可以分為串行和并行。

(1)、主串模式

主串模式是最簡(jiǎn)單的固化模式，如圖14所示,這個(gè)模式過(guò)程不需要為外部存儲器提供一系列地址。它利用簡(jiǎn)單的脈沖信號來(lái)表明數據讀取的開(kāi)始，接著(zhù)由FPGA提供給存儲器時(shí)鐘，存儲器在時(shí)鐘驅動(dòng)下，將數據輸入到FPGA Cdata_in端口。

(2)主并模式

主并模式其實(shí)和主串模式的一樣機理，只不過(guò)是在主串的基礎上，同周期數內傳送的數據變成8位，或者更高，如圖15。這樣一來(lái)，主并行相比主串行的數度要優(yōu)先了?，F代有些地方已采用這種方式來(lái)配置FPGA的了。

(3)從并模式

從上面看到，主模式下的連接還是很簡(jiǎn)單的。但是有時(shí)候，系統可能用其他微處理器來(lái)對FPGA進(jìn)行配置。這里的微處理器可以指FPGA內嵌的處理器，比如說(shuō)Nios。微處理器控制著(zhù)何時(shí)配置FPGA，從哪讀取配置文件。如圖16，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是處理器可以靈活隨時(shí)變更FPGA配置，同時(shí)配置的速度也快。微處理器先從外部存儲設備里讀取一個(gè)字節的數，然后寫(xiě)到FPGA里。

(4)從串模式

理解了從并模式，從串模式就不用很多解釋了，它的特點(diǎn)就是節約FPGA管腳I/O。

(5)多片級聯(lián)

多片模式有兩種，一種是采用菊花鏈的思想，多片FPGA共享一個(gè)存儲器，另外一個(gè)是可以使用其他存儲器配置不同的FPGA。如果所示是一個(gè)共享型的結構，顯示啟動(dòng)了。這里分主FPGA和從FPGA，主FPGA和存儲器是使用串行主模式來(lái)配置，而后面那個(gè)的配置是通過(guò)第一配置好的FPGA上微處理器進(jìn)行協(xié)調的。

5.8.4 模式選擇

現今FPGA應該可以支持上面五種配置模式，是通過(guò)3個(gè)模式引腳來(lái)實(shí)現的，具體的映射如下表，在今后模式還是有可能增加的。

在PS模式下，如果你用電纜線(xiàn)配置板上的FPGA芯片,而這個(gè)FPGA芯片已經(jīng)有配置芯片在板上,那你就必須隔離纜線(xiàn)與配置芯片的信號。一般平時(shí)調試時(shí)不會(huì )把配置芯片焊上的,這時(shí)候用纜線(xiàn)下載程序。只有在調試完成以后,才把程序燒在配置芯片中, 然后將芯片焊上.或者配置芯片就是可以方便取下焊上的那種。這樣出了問(wèn)題還可以方便地調試.。

對FPGA芯片的配置中，可以采用AS模式的方法，如果采用EPCS的芯片，通過(guò)一條下載線(xiàn)進(jìn)行燒寫(xiě)的話(huà)，那么開(kāi)始的nCONFIG,nSTATUS應該上拉，要是考慮多種配置模式，可以采用跳線(xiàn)設計。讓配置方式在跳線(xiàn)中切換,上拉電阻的阻值可以采用10K一般在做FPGA實(shí)驗板的時(shí)候,用AS+JTAG方式,這樣可以用JTAG方式調試,而最后程序已經(jīng)調試無(wú)誤了后,再用AS模式把程序燒到配置芯片里去。

5.9開(kāi)發(fā)工具總結

在圍繞圖1把FPGA開(kāi)發(fā)流程講完后，這里對每個(gè)環(huán)節中設計的相關(guān)軟件進(jìn)行總結，如下表所示。畢竟充分利用各種工具的特點(diǎn)，進(jìn)行多種EDA工具的協(xié)同設計，對FPGA的開(kāi)發(fā)是非常重要的。充分利用了這些EDA工具的優(yōu)點(diǎn)，能夠提高開(kāi)發(fā)效率和系統性能。

表中列出的每種EDA工具都有自己的特點(diǎn)。一般由FPGA廠(chǎng)商提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，如Altera Quartus II和Xilinx ISE，在邏輯綜合和設計仿真環(huán)節都不是非常優(yōu)秀，因此一般都會(huì )提供第三方EDA工具的接口，讓用戶(hù)更方便地利用其他EDA工具。為了提高設計效率，優(yōu)化設計結果，很多廠(chǎng)家提供了各種專(zhuān)業(yè)軟件，用以配合FPGA芯片廠(chǎng)家提供的工具進(jìn)行更高效的設計。

比較常見(jiàn)的使用方式是：FPGA廠(chǎng)商提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、專(zhuān)業(yè)邏輯仿真軟件、專(zhuān)業(yè)邏輯綜合軟件一起使用，進(jìn)行多種EDA工具的協(xié)同設計。比如Quartus II+ModelSim+FPGA Compiler II，ISE+ModelSim+Synplify Pro等等。