FPGA 原型設(shè)計人員艱苦努力所得的明顯回報就是 ASIC 設(shè)計可以及時而毫無問題地完成產(chǎn)品定案（tape-out）。不過，原型設(shè)計還有一點日益重要的優(yōu)勢，即 ASIC 或 SoC 中嵌入的軟件在項目開發(fā)的早期階段便可與實際速度硬件進(jìn)行完美集成。

為什么軟件團隊要關(guān)注 FPGA 原型設(shè)計問題

獨立的 EDA 分析師 Gary Smith 指出（見圖 1），SoC 采用的CMOS工藝節(jié)點日益小型化，而且技術(shù)越來越復(fù)雜，因此軟件組成部分已成為產(chǎn)品特色和開發(fā)焦點所在。進(jìn)入市場的最新消費類器件多采用復(fù)雜的 SoC，其中包括眾多嵌入式處理器和幾十萬甚至數(shù)百萬行代碼。Apple iPhone 就是一個很好的例子，它至少包含 3 個 ARM 處理器。加速產(chǎn)品上市進(jìn)程對產(chǎn)品推出至關(guān)重要，在此情況下，怎么才能在 SoC 環(huán)境中進(jìn)行軟件驗證呢？

SoC 開發(fā)團隊越來越多地開始采用 FPGA 原型設(shè)計作為解決方案來進(jìn)行驗證并及時推出各種類型的產(chǎn)品。

為什么選擇原型設(shè)計技術(shù)？

集成操作系統(tǒng)、應(yīng)用和硬件非常復(fù)雜，會出現(xiàn)許多不可預(yù)見的軟件問題。實際速度運行的 FPGA 原型設(shè)計能提供一個獨特的環(huán)境，在關(guān)鍵的集成階段節(jié)約數(shù)月之久的高強度軟件測試工作。如果這款原型設(shè)計還要采用其它軟件，要進(jìn)行其它實驗室測試，那么原型設(shè)計的優(yōu)勢會進(jìn)一步體現(xiàn)出來，即便對客戶接受度測試來說都是有益的。Synplicity 推出的 HAPS （高速 ASIC 原型設(shè)計系統(tǒng)）等現(xiàn)成的高質(zhì)量 FPGA原型驗證板基本解決了投放產(chǎn)品的時間問題，剩下的就是要考慮成本問題：

增加板的用量將找出更多錯誤

軟件的潛在用戶數(shù)量巨大，他們會隨心所欲使用軟件，難免不造成操作系統(tǒng)鎖死，應(yīng)用崩潰，或者做些軟件工程師根本想象不到的事情。

何時進(jìn)行原型設(shè)計

在 SoC 設(shè)計完成之前就進(jìn)行調(diào)試顯然是非常有利的。圖 1 顯示了大型 ASIC 項目各階段中通常要特別注意的模擬、仿真和原型設(shè)計問題。我們可以看到，F(xiàn)PGA 原型設(shè)計最常用，因為項目在集成階段需要確保高速和高容量。

我們不妨設(shè)想這樣一種情況，軟件集成問題的最佳解決方案需要修改硬件。舉例來說，需要將占用大量周期的DSP算法提取出來，并用協(xié)處理器或定制的器件邏輯來代替。如果 SoC 已基本完成了產(chǎn)品定案，甚至已完成設(shè)計推出了樣片才發(fā)現(xiàn)這一問題，那么不管修改錯誤對最終產(chǎn)品有什么好處，我們也不太可能考慮對器件進(jìn)行必要的調(diào)整了。事實上，早期進(jìn)行 FPGA 原型設(shè)計有助于及時進(jìn)行設(shè)計調(diào)整。FPGA 原型設(shè)計技術(shù)使用越來越多，其原因之一就是在項目早期階段可判斷軟/硬件的問題并權(quán)衡利弊（也請參見圖 1）。

原型設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

實施 ASIC 的 FPGA 原型需要解決多種開發(fā)難題。令人驚訝的是，設(shè)計硬件本身并不是最具挑戰(zhàn)性的問題。事實上，許多廠商都提供為滿足特定目的而設(shè)計的 ASIC 原型板（如HAPS）。真正的挑戰(zhàn)則在于如何實施 FPGA 設(shè)計方案。

分區(qū)和 I/O 處理

盡管目前最大的 FPGA 每個都能處理 200 多萬個 ASIC 門，但眾多 ASIC 設(shè)計的要求要大得多。這就要求對 SoC 的關(guān)鍵部分進(jìn)行原型設(shè)計，或者設(shè)計方案必須在多個 FPGA上進(jìn)行分區(qū)。但這會造成一些有趣的障礙，因為我們的整體目標(biāo)是進(jìn)行驗證，因此分區(qū)時必須盡可能減少對 ASIC RTL 的變動。設(shè)計方案分區(qū)會造成人為的分界線，如果設(shè)計方案的內(nèi)部總線或數(shù)據(jù)路徑較寬，則會造成所需 I/O 引腳的數(shù)量爆炸性增長，進(jìn)而引起 FPGA 引腳不足。即便采用最新型的 FPGA，每個 FPGA支持 1000個以上的I/O 引腳，也有不夠用的時候。

我們可在同一 FPGA 引腳上先對多個信號進(jìn)行多路復(fù)用，然后再在目標(biāo) FPGA 上進(jìn)行多路分解工作，從而生成更多 I/O 資源。即便如此，我們還是不希望變動 ASIC RTL，因此要進(jìn)行自動引腳多路復(fù)用。這肯定會產(chǎn)品性能造成一定的影響；但 FPGA 的I/O足夠快，即便采用多路復(fù)用技術(shù)，仍能提供足夠高的性能，確保復(fù)雜的嵌入式軟件驗證工作能夠以實際速度進(jìn)行。

不改變 RTL 就修改拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

憑借設(shè)計人員的智慧，通過一定的手動干預(yù)，我們可在一個以上的 FPGA 中復(fù)制子模塊，從而減少 I/O 限制，降低互連需求。通過對 RTL 做進(jìn)一步的專門化操作，如對低級門進(jìn)行位切片（bit-slicing）或壓縮（zipper）更多復(fù)雜模塊（這些都不需要變動 RTL），可進(jìn)一步降低 FPGA I/O 需求。

ASIC 時鐘和 FPGA 時鐘不一樣將 SoC 設(shè)計移植到 FPGA 上時，設(shè)計團隊還會面臨更多問題，因為原始 RTL 的作者根本不可能考慮到 FPGA 問題。RTL 中不利于 FPGA 的因素包括 ASIC 元件例化和 RAM BIST 等，不過最重要的問題在于 IP 和時鐘復(fù)雜性。為降低功耗，F(xiàn)PGA 會盡量支持ASIC 常用的門控時鐘（gated-clock）設(shè)計風(fēng)格。時鐘門信號必須轉(zhuǎn)化為 FPGA 硬件中的時鐘啟用（clock enables）信號。手動進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換工作量太大并帶來新的問題。一些合成工具可以自動進(jìn)行門—時鐘轉(zhuǎn)換，甚至能支持復(fù)雜的時鐘生成電路。圖 3 顯示了 Synplicity 的 Synplify Premier 中自動化時鐘轉(zhuǎn)化的實例。

處理IP

ARM 處理器等大型 IP 塊可作為完整的芯片購買，直接接口于其它原型設(shè)計硬件。唯一要求就是硬件必須足夠靈活，以滿足ARM CoreTIle 等多種支持 IP 功能的子卡需要。但是，存儲器、FIFO、乘法器和加法器等小型常見功能太多了，難以通過這種方式一一滿足。適當(dāng)?shù)?EDA 軟件能自動將這些功能轉(zhuǎn)化為 FPGA 內(nèi)部兼容型實施方案，或者通過簡單的方式將其隔離到FPGA外部實現(xiàn)。

采用FPGA板后的工作

設(shè)計移植到 FPGA上并以實際速度運行后，又會出現(xiàn)另一個問題，即如何高效完成調(diào)試工作。嵌入式或外置的邏輯分析器可解決此問題，但這些工具通常工作于門級層面。因此，跟蹤返回至 RTL級（即最初進(jìn)行設(shè)計的層面）的信號會花費大量時間，畢竟這需要在合成步驟中逆向工作。最好用能無縫保持門級和 RTL 級層面之間軟鏈接（symbolic link）的工具進(jìn)行調(diào)試。

Synplicity 開發(fā)了稱作 TotalRecall Full Visibility Technology 的新技術(shù)，能自動從原型設(shè)計中提取完整的測試實例，其中包括導(dǎo)致故障或斷言失敗的所有情況，可以了解軟件調(diào)試觸發(fā)器的外部輸入問題等。捕獲到的測試實例可隨時在正常 RTL 模擬器中重放并分析。該功能使 FPGA 原型設(shè)計能擴展到更廣泛的驗證環(huán)境中，現(xiàn)在已經(jīng)在Synplicity 的 IdenTIfy Pro 產(chǎn)品中實現(xiàn)。

FPGA 原型設(shè)計技術(shù)的發(fā)展趨勢

以實際速度運行的 FPGA 原型為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)和 SoC 的驗證工作提供了強有效的解決方案。如前所述，目前，我們可以獲得解決本領(lǐng)域中一直面臨的各種挑戰(zhàn)的 EDA 工具和現(xiàn)成的原型板。即便如此，還有待全面集成原型設(shè)計硬件和工具組件。這樣我們就能縮短原型設(shè)計和重復(fù)修改的時間。隨著功能的不斷發(fā)展，Synplicity 的 Confirma平臺等以實際速度運行的驗證系統(tǒng)將取代其它傳統(tǒng)驗證方法，成為所有 SoC 開發(fā)工作中不可或缺的一部分。