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豁然开朗！原来大神是这样学习FPGA设计

bajuntu
工程师
2020-04-30 16:47:56     打赏

FPGA是可编程芯片，因此 FPGA 的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分。硬件包括 FPGA 芯片电路、存储器、输入输出接口电路以及其他设备，软件即是相应的 HDL 程序以及最新才流行的嵌入式 C 程序。硬件设计是基础，但其方法比较固定，本书将在第 4 节对其进行详细介绍，本节主要介绍软件的设计方法。

目前微电子技术已经发展到 SOC 阶段，即集成系统（Integrated System）阶段，相对于集成电路（IC）的设计思想有着革命性的变化。SOC 是一个复杂的系统，它将一个完整产品的功能集成在一个芯片上，包括核心处理器、存储单元、硬件加速单元以及众多的外部设备接口等，具有设计周期长、实现成本高等特点，因此其设计方法必然是自顶向下的从系统级到功能模块的软、硬件协同设计，达到软、硬件的无缝结合。

这么庞大的工作量显然超出了单个工程师的能力，因此需要按照层次化、结构化的设计方法来实施。首先由总设计师将整个软件开发任务划分为若干个可操作的模块，并对其接口和资源进行评估，编制出相应的行为或结构模型，再将其分配给下一层的设计师。这就允许多个设计者同时设计一个硬件系统中的不同模块，并为自己所设计的模块负责；然后由上层设计师对下层模块进行功能验证。

自顶向下的设计流程从系统级设计开始，划分为若干个二级单元，然后再把各个二级单元划分为下一层次的基本单元，一直下去，直到能够使用基本模块或者 IP 核直接实现为止，如图 1-6 所示。流行的 FPGA 开发工具都提供了层次化管理，可以有效地梳理错综复杂的层次，能够方便地查看某一层次模块的源代码以修改错误。


图 1-6 自顶向下的 FPGA 设计开发流程

在工程实践中，还存在软件编译时长的问题。由于大型设计包含多个复杂的功能模块，其时序收敛与仿真验证复杂度很高，为了满足时序指标的要求，往往需要反复修改源文件，再对所修改的新版本进行重新编译，直到满足要求为止。这里面存在两个问题：首先，软件编译一次需要长达数小时甚至数周的时间，这是开发所不能容忍的；其次，重新编译和布局布线后结果差异很大，会将已满足时序的电路破坏。因此必须提出一种有效提高设计性能，继承已有结果，便于团队化设计的软件工具。FPGA 厂商意识到这类需求，由此开发出了相应的逻辑锁定和增量设计的软件工具。例如，xilinx 公司的解决方案就是 PlanAhead。

Planahead 允许高层设计者为不同的模块划分相应 FPGA 芯片区域，并允许底层设计者在在所给定的区域内独立地进行设计、实现和优化，等各个模块都正确后，再进行设计整合。如果在设计整合中出现错误，单独修改即可，不会影响到其它模块。Planahead 将结构化设计方法、团队化合作设计方法以及重用继承设计方法三者完美地结合在一起，有效地提高了设计效率，缩短了设计周期。

不过从其描述可以看出，新型的设计方法对系统顶层设计师有很高的要求。在设计初期，他们不仅要评估每个子模块所消耗的资源，还需要给出相应的时序关系；在设计后期，需要根据底层模块的实现情况完成相应的修订。

典型 FPGA 开发流程
FPGA 的设计流程就是利用 EDA 开发软件和编程工具对 FPGA 芯片进行开发的过程。FPGA 的开发流程一般如图 1-7 所示，包括电路设计、设计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯片编程与调试等主要步骤。


图 1-7 FPGA 开发的一般流程

1． 电路设计
在系统设计之前，首先要进行的是方案论证、系统设计和 FPGA 芯片选择等准备工作。系统工程师根据任务要求，如系统的指标和复杂度，对工作速度和芯片本身的各种资源、成本等方面进行权衡，选择合理的设计方案和合适的器件类型。一般都采用自顶向下的设计方法，把系统分成若干个基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接使用 EDA 元件库为止。


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风的印记
工程师
2020-04-30 23:32:17     打赏
2楼

学到了


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卢风
工程师
2020-05-02 23:42:53     打赏
3楼

确实厉害


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