FPGA設計流程

FPGA設計流程包括以下關鍵步驟，如圖9.8所示。

1. 設計輸入

2. 設計仿真與綜合

3.設計實現

4.設備編程。

圖9.8 FPGA設計流程

設計輸入

在設計進入之前，需要根據設計規范進行設計規劃。設計規范需要轉換為體系結構和微體系結構。設計架構和微架構包括將總體設計分解為小模塊，以實現預期功能。在架構設計階段，需要估計內存、速度和功率的需求。根據需要，需要為實現選擇FPGA設備。

使用Verilog（.v）或VHDL（.vhd）文件完成設計輸入。設計輸入后，需要對設計進行仿真，以確保設計的功能正確性。這稱為功能仿真。

設計仿真與綜合

在功能仿真期間，將輸入集應用于設計，以檢查設計的功能正確性。盡管在后期的設計周期中可能會出現時間或面積、電源問題，但設計師至少對設計的功能有把握。

硬件設計工程師的主要目標是生成高效的硬件。綜合是將設計抽象的一個層次轉換為另一個層次的過程。在邏輯綜合中，HDL被轉換成網絡表。網絡列表獨立于設備，可以采用標準格式，如電子設計互換格式（EDIF）。

設計實施

該設計經歷了translate, map and place and route等步驟。在設計實現過程中，EDA工具將設計轉換為所需格式，并根據所需區域將其映射到FPGA。EDA工具通過使用實際邏輯單元或宏單元來執行映射。在映射過程中，EDA工具使用宏單元、可編程互連和IO塊。專用模塊，如乘法器、DSP和BRAM，也使用供應商工具進行映射。這些塊被放置在FPGA內部的預定義幾何體上，并通過使用可編程互連來實現預期功能。這一步稱為布局和布線。

為了檢查設計計時性能以及是否滿足約束，將執行時序分析，該分析稱為布局后STA。在STA期間，使用與可編程互連相關聯的延遲來檢查時序路徑。提取RC延遲并將其用于時序分析也稱為反向注釋。

設備編程

FPGA通過使用特定于供應商或專有的位流文件進行編程。位流是需要加載到FPGA中以執行特定硬件設計的二進制數據文件。

如果設計針對特定的FPGA，則EDA工具將生成設備利用率摘要。

用FPGA實現邏輯

現代FPGA的體系結構包括CLB陣列、塊RAM、乘法器、DSP、IOB和數字時鐘管理器（DCM）。延遲鎖定環（DLL）用于賦值具有均勻時鐘偏移的時鐘。XILINX SPARTAN系列FPGA的平面圖如下圖所示。

可配置邏輯塊

如下圖所示，基本CLB由LUT、觸發器和多路復用器邏輯組成。配置數據保存在鎖存器中。CLB體系結構取決于供應商，由多個LUT、觸發器、多路復用器和鎖存器組成。下面的Verilog代碼是使用單個四輸入LUT實現的，稱為組合邏輯。

圖9.9 Xilinx基本CLB結構

下面的Verilog功能塊在實現過程中使用單LUT和單寄存器，因此該邏輯稱為時序邏輯。

圖9.9所示的CLB也用于實現16位移位寄存器。LUT可以級聯以設計較長尺寸的移位寄存器，也可以用于設計的流水線。

輸入-輸出塊（IOB）

輸入-輸出塊用于建立邏輯與外部世界的接口，由具有三態控制機制的寄存器和緩沖器的數量組成。該塊可用于寄存器輸入和寄存器輸出。

圖9.10 Xilinx基本IO塊

現代FPGA的IOB結構非常復雜，可以包含許多IO控制支持，其中可能包括DDR、專用高速接口。基本IO塊結構如圖9.10所示。

Block RAM

XILINX Spartan-7系列支持可配置18 kbit塊的形式組織的200 MHz塊RAM。每個塊RAM包含18432位，其中16kbit賦值用于數據存儲，其余2kbit賦值用于奇偶校驗。塊RAM可用作單端口存儲器或雙端口存儲器，并具有獨立的端口訪問。每個端口與獨立時鐘、時鐘啟用和寫啟用同步。讀取操作本質上也是同步的，需要啟用時鐘。塊RAM的應用是存儲數據、FIFO設計、緩沖區和堆棧，甚至是在設計復雜的狀態機時。單端口RAM如圖9.11所示。

圖9.11 Xilinx單端口Block RAM

數字時鐘管理器（DCM）

Xilinx設備系列使用延遲鎖定環（DLL），Altera使用鎖相環（PLL）作為時鐘管理器。DCM、DLL的作用是提供對相移、時鐘偏移和時鐘頻率的完全控制。DCM、DLL支持以下功能。

相移?時鐘偏移消除

頻率綜合。

DCM由可變延遲線和時鐘賦值網絡組成，基本框圖如圖9.12所示。

圖9.12 Xilinx基本DLL塊

乘法器

所有Spartan7 FPGA都有兩個18位輸入，并生成36位輸出。乘法器為嵌入式塊，每個設備有4~104個嵌入式乘法器塊。嵌入式乘法器的主要優點是，與基于CLB的乘法器相比，它需要更少的功耗。它們用于以最小的通用資源實現快速算術函數。可以使用路由資源級聯乘法器，下圖顯示了配置為22位乘以16位的乘法器，以生成38位輸出的乘法器可用于有符號或無符號數字乘法。乘法器廣泛應用于DSP應用中?；緣K如圖9.13所示。

圖9.13 Xilinx基本乘法器塊

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審核編輯 ：李倩