電子技術(shù)的日新月異，不斷地改變著人們的生活方式。而世界電子技術(shù)及設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，正在給中國(guó)的電子設(shè)計(jì)工程師們以新的挑戰(zhàn)和壓力。不能否認(rèn)，目前中國(guó)電子設(shè)計(jì)技術(shù)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家水平，尤其是在電子技術(shù)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，即IC/ASIC方面。當(dāng)國(guó)人以國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)，電視，VCD,影碟機(jī)等產(chǎn)業(yè)欣欣向榮，飛速發(fā)展而沾沾自喜的時(shí)候，卻不能不看到，幾乎所有的核心技術(shù)和幾乎所有的內(nèi)部關(guān)鍵集成電路，仍然印著國(guó)外半導(dǎo)體廠家的商標(biāo)。單從時(shí)間上看，國(guó)內(nèi)技術(shù)可能只落后一、二十年，但是我們更應(yīng)該看到：一方面，這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是以非線性速度向前推進(jìn)的，另一方面，當(dāng)發(fā)達(dá)國(guó)家"全民皆兵",整體發(fā)展水平平均較高時(shí)，國(guó)內(nèi)仍局限在為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家重點(diǎn)投資企業(yè)或合資/獨(dú)資企業(yè)里。

然而，我們有幸的看到，F(xiàn)PGA/EPLD 的發(fā)展正逐步取代越來(lái)越多的ASIC市場(chǎng)?？芍貜?fù)使用，小批量，低投入，高性能，高密度，開(kāi)發(fā)周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，使國(guó)內(nèi)更多的工程師們樂(lè)于采用。由于不需要任何投片費(fèi)用，也不需要建立任何生產(chǎn)線，因此，采用FPGA/EPLD所需的投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ASIC的投資。據(jù)估計(jì)，引進(jìn)一套先進(jìn)的FPGA Top-Down設(shè)計(jì)工具所需費(fèi)用還不到ASIC所需的十分之一，而大力推廣先進(jìn)的FPGA設(shè)計(jì)方法，既可以降低諸多產(chǎn)業(yè)投資成本，也可培養(yǎng)一大批國(guó)內(nèi)的Top-Down的設(shè)計(jì)人才，從而提高國(guó)內(nèi)Top-Down設(shè)計(jì)的整體水平，為將來(lái)國(guó)內(nèi)ASIC產(chǎn)業(yè)的快速、健康發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

FPGA/EPLD的自上而下（Top-Down）設(shè)計(jì)方法：

Top_down設(shè)計(jì)方法嚴(yán)格來(lái)說(shuō)只是一個(gè)概念，在不同的軟件上有不同的實(shí)現(xiàn)方式，只要能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從頂部模型傳遞到底部模型的參數(shù)化過(guò)程都可以稱之為Top Down設(shè)計(jì)方法，從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)的方法也可以多種多樣。不過(guò)從數(shù)據(jù)管理和條理性上來(lái)衡量，對(duì)于某一特定類型都有一個(gè)相對(duì)合適的方法，當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)系很簡(jiǎn)單時(shí)這點(diǎn)不太明顯，當(dāng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜或數(shù)據(jù)很大時(shí)數(shù)據(jù)的管理就很重要了。下面我們就WildFire來(lái)討論一下一般的Top Down的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。不過(guò)在討論之前我們有必要先弄清楚WildFire中各種數(shù)據(jù)共享方法，因?yàn)閠op down的過(guò)程其實(shí)就是一個(gè)數(shù)據(jù)傳遞和管理的過(guò)程。弄清楚不同的幾何傳遞方法才能根據(jù)不同的情況使用不同的數(shù)據(jù)共享方法。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段是采用原理圖輸入的方式進(jìn)行的，如圖1所示。通過(guò)調(diào)用FPGA/EPLD廠商所提供的相應(yīng)物理元件庫(kù)，在電路原理圖中繪制所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，然后通過(guò)網(wǎng)表轉(zhuǎn)換產(chǎn)生某一特定FPGA/EPLD廠商布局布線器所需網(wǎng)表，通過(guò)布局布線，完成設(shè)計(jì)。原理圖繪制完成后可采用門級(jí)仿真器進(jìn)行功能驗(yàn)證。

圖1:傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段與Top-Down設(shè)計(jì)工具的比較

然而，工程師的最初設(shè)計(jì)思想不是一開(kāi)始就考慮采用某一FPGA/EPLD廠商的某一特定型號(hào)器件，而是從功能描述開(kāi)始的。設(shè)計(jì)工程師首先要考慮規(guī)劃出能完成某一具體功能、滿足自己產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的某一功能模塊，利用某種方式（如HDL硬件描述語(yǔ)言）把功能描述出來(lái)，通過(guò)功能仿真（HDL仿真器）以驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的正確性。當(dāng)所設(shè)計(jì)功能滿足需要時(shí)，再考慮以何種方式（即邏輯綜合過(guò)程）完成所需要的設(shè)計(jì)，并能直接使用功能定義的描述。實(shí)際上這就是自頂而下設(shè)計(jì)方法。

HDL文本輸入硬件描述語(yǔ)言是用文本的形式描述硬件電路的功能，信號(hào)連接關(guān)系以及時(shí)序關(guān)系。它雖然沒(méi)有圖形輸入那么直觀，但功能更強(qiáng)，可以進(jìn)行大規(guī)模，多個(gè)芯片的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。常用的HDL有ABEL,VHDL和VerilogHDL等。目前在我國(guó)廣泛應(yīng)用的硬件描述語(yǔ)言主要有：ABEL語(yǔ)言、AHDL語(yǔ)言、Verilog語(yǔ)言、和VHDL語(yǔ)言，其中Verilog語(yǔ)言和VHDL語(yǔ)言最為流行。

與傳統(tǒng)電原理圖輸入設(shè)計(jì)方法相比，Top-Down設(shè)計(jì)方法具體有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、完全符合設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路，從功能描述開(kāi)始，到物理實(shí)現(xiàn)的完成。

2、功能設(shè)計(jì)可完全獨(dú)立于物理實(shí)現(xiàn)

在采用傳統(tǒng)的電原理輸入方法時(shí)，F(xiàn)PGA/EPLD器件的采用受到器件庫(kù)的制約。由于不同廠商FPGA/EPLD的結(jié)構(gòu)完全不同，甚至同一廠商不同系列的產(chǎn)品也存在結(jié)構(gòu)上的差別，因此，在設(shè)計(jì)一開(kāi)始，工程師的設(shè)計(jì)思路就受到最終所采用器件的約束，大大限制了設(shè)計(jì)師的思路和器件選擇的靈活性。而采用Top-Down設(shè)計(jì)方法，功能輸入采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的HDL輸入方法，HDL可不含有任何器件的物理信息，因此工程師可以有更多的空間去集中精力進(jìn)行功能描述，設(shè)計(jì)師可以在設(shè)計(jì)過(guò)程的最后階段任意選擇或更改物理器件。

3、設(shè)計(jì)可再利用

設(shè)計(jì)結(jié)果完全可以以一種知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP-Intellectual Property）的方式作為設(shè)計(jì)師或設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)成果，應(yīng)用于不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，做到成果的再利用。

4、易于設(shè)計(jì)的更改

設(shè)計(jì)工程師可在極短的時(shí)間內(nèi)修改設(shè)計(jì)，對(duì)各種FPGA/EPLD結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)果規(guī)模（門消耗）和速度（時(shí)序）的比較，選擇最優(yōu)方案。

5、設(shè)計(jì)、處理大規(guī)模、復(fù)雜電路

目前的FPGA/EPLD器件正向高集成度、深亞微米工藝發(fā)展。為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的小型化，低功耗、高可靠性等提供了集成的手段。設(shè)計(jì)低于一萬(wàn)門左右的電路，Top-Down設(shè)計(jì)方法具有很大的幫助，而設(shè)計(jì)更大規(guī)模的電路，Top-Down設(shè)計(jì)方法則是必不可少的手段。

6、設(shè)計(jì)周期縮短，生產(chǎn)率大大提高，產(chǎn)品上市時(shí)間提前，性能明顯提高，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力加強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用Top-Down設(shè)計(jì)方法的生產(chǎn)率可達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的2到4倍。

Top-Down設(shè)計(jì)流程如圖2所示，其核心是采用HDL語(yǔ)言進(jìn)行功能描述，由邏輯綜合（Logic Synthesis）把行為（功能）描述轉(zhuǎn)換成某一特定FPGA/EPLD的工藝網(wǎng)表，送到廠商的布局布線器完成物理實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，仿真器的功能驗(yàn)證和門級(jí)仿真技術(shù)保證設(shè)計(jì)功能和時(shí)序的正確性。

FPGA/EPLD Top-Down 設(shè)計(jì)工具的黃金組合

Mentor Graphics公司提供一整套基于UNIX平臺(tái)和Windows 95/NT 平臺(tái)的FPGA/EPLD Top-Down設(shè)計(jì)工具：Renoir/ModelSim 和Exemplar,如圖2所示。兩種平臺(tái)的工具具有相同的用戶界面，并保證數(shù)據(jù)庫(kù)的完全統(tǒng)一。目前，在FPGA/EPLD Top-Down設(shè)計(jì)方法全球市場(chǎng)上，Mentor已擁有42%的市場(chǎng)份額，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他任何一個(gè)廠家。

采用Top-Down設(shè)計(jì)方法進(jìn)行FPGA/EPLD設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)劣與否取決于三個(gè)重要的因素：描述手段（即HDL語(yǔ)言）、設(shè)計(jì)方法（Style）和設(shè)計(jì)工具。描述手段是基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)方法需要工程經(jīng)驗(yàn)，而設(shè)計(jì)工具則是Top-Down設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。一套完整、強(qiáng)大、性能卓越的設(shè)計(jì)工具，可幫助設(shè)計(jì)工工程師最大限度的發(fā)揮其設(shè)計(jì)能力。

1. 圖形化輸入工具-Renoir

----設(shè)計(jì)工程師采用Top-Down方法進(jìn)行FPGA/EPLD設(shè)計(jì)所面臨到的第一個(gè)問(wèn)題就是HDL語(yǔ)言的學(xué)習(xí)。語(yǔ)言的學(xué)習(xí)過(guò)程和應(yīng)用能力直接影響設(shè)計(jì)產(chǎn)品的完成及其性能。但是設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初并不是考慮如何去寫(xiě)語(yǔ)言，而是習(xí)慣于畫(huà)出設(shè)計(jì)的框圖，并采用圖形化方法（流程圖、狀態(tài)圖、真值表等）把它描述出來(lái)。Renoir這一圖形化輸入工具，不僅可以幫助設(shè)計(jì)師完成產(chǎn)品的功能描述，更可以自動(dòng)生成HDL語(yǔ)言，為邏輯綜合提供必要的輸入數(shù)據(jù)。

---- 采用圖形化輸入方法主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

提供框圖、流程圖、狀態(tài)圖、真值表等圖形輸入方法，使設(shè)計(jì)工程師從純文本的設(shè)計(jì)方法理解脫出來(lái)，設(shè)計(jì)手段更貼近于設(shè)計(jì)師的思維過(guò)程：

便于工程師之間進(jìn)行設(shè)計(jì)的相互交流以及對(duì)前人/他人設(shè)計(jì)結(jié)果的理解與再利用； 便于初學(xué)者學(xué)習(xí)HDL語(yǔ)言；

便于設(shè)計(jì)成果的存檔，以便設(shè)計(jì)交流與再利用。

---- Renoir作為新一代的圖形化輸入工具更具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：

自動(dòng)生成高效的HDL語(yǔ)言描述，生成結(jié)果可進(jìn)行功能驗(yàn)證及邏輯綜合；

完全支持VHDL和Verilog兩種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并完全支持VHDL/Verilog的混合描述；

支持UNIX和Win95/NT兩種平臺(tái)，具有相同界面和數(shù)據(jù)庫(kù)。Win95/NT平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面，易學(xué)易用；

支持框圖/流程圖的動(dòng)畫(huà)（Animation）仿真、調(diào)試過(guò)程便于設(shè)計(jì)的調(diào)試；

即插即用（plug and play），與多種仿真器、綜合器及軟硬件協(xié)同驗(yàn)證工具有完善的接口，組成各種設(shè)計(jì)流程；

在線查錯(cuò)功能（On line checking），進(jìn)行語(yǔ)法和可綜合性檢查； 語(yǔ)言到圖形的轉(zhuǎn)換，可以把VHDL、Verilog或混合HDL語(yǔ)言描述換成框圖、流程圖或狀態(tài)圖，并保持原設(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)；

支持OLE（Object Liking and Embedding）標(biāo)準(zhǔn)，可把Renoir中的任何圖形設(shè)計(jì)形式連接或嵌入到任一支持OLE的應(yīng)用程序中，如Word、Powerpoint等，以便用戶建立設(shè)計(jì)文檔；

支持在圖形輸入中加入注釋、屬性（pragma, attribute）、并可自動(dòng)加到所產(chǎn)生的HDL源碼中；

支持IP調(diào)用，并可自動(dòng)生成相應(yīng)符號(hào)，以使IP嵌入到所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。

2. 邏輯綜合工具-Exemplar

---- 邏輯綜合工具是通過(guò)映射和優(yōu)化過(guò)程，把設(shè)計(jì)功能描述轉(zhuǎn)換成與物理實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)的工藝網(wǎng)表。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，不僅需要確保每一功能映射正確，還需保證盡量采用較少的硬件開(kāi)銷，滿足設(shè)計(jì)的時(shí)序要求。因此，邏輯綜合工具是FPGA/EPLD Top-Down設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵。 Exemplar的主要特點(diǎn)：

完全支持VHDL/Verilog兩種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的FPGA/EPLD器件，采用不同的綜合優(yōu)化算法，以保證結(jié)果的最優(yōu)化；

支持不同類型器件的重映射，設(shè)計(jì)師可直接從一種器件的工藝網(wǎng)表映射到另一種器件的工藝網(wǎng)表，無(wú)需重新設(shè)計(jì)；

支持各廠商器件網(wǎng)表的不同格式輸入與輸出。如：XNF,EDIF等：

支持布局、布線后設(shè)計(jì)的反標(biāo)注，產(chǎn)生后仿真所需功能網(wǎng)表（HDL）及延時(shí)網(wǎng)表（SDF）；

持靜態(tài)時(shí)序分析；

支持綜合結(jié)果的圖形輸出，設(shè)計(jì)師可通過(guò)圖形輸出跟蹤分析關(guān)鍵路徑（Critical Path）；

支持廣泛的FPGA廠商及其最新芯片型號(hào)，包括采用深亞微米技術(shù)的器件。廠商包括：Actel、Altera、Atmel、Cypress、Lattice、Lucent、Motorola、Quicklogic、Xilinx等；

FPGA/EPLD設(shè)計(jì)到ASIC設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫升級(jí)，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的兼容性及可再利用性；

即插即用，可與各種前端/后端工具結(jié)合使用，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)無(wú)虛人為干預(yù)/修改；

持UNIX平臺(tái)和Win95/NT平臺(tái)，不同平臺(tái)工具具有相同的用戶界面、功能、并完全保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的兼容性。

3. 功能仿真與時(shí)序驗(yàn)證-ModelSim

---- 在FPGA/EPLD Top-Down設(shè)計(jì)流程中，設(shè)計(jì)仿真包含在設(shè)計(jì)過(guò)程的每一環(huán)節(jié)中，以保證設(shè)計(jì)的正確性。 ModelSim不僅可以完成設(shè)計(jì)的功能驗(yàn)證（RTL級(jí)），也可實(shí)現(xiàn)邏輯綜合后的門級(jí)仿真以及布局布線后的功能和時(shí)序驗(yàn)證。

---- ModelSim的主要特點(diǎn)：

完全支持VHDL和Verilog標(biāo)準(zhǔn)；

采用直接編輯技術(shù)（Direct-Compiled），大大提高HDL編譯和仿真速度；

唯一支持VHDL和Verilog混合描述的仿真工具；

支持RTL級(jí)和門級(jí)驗(yàn)證，支持VITAL,SDF等；

具有友好的用戶界面，仿真器包括主控窗口、源碼窗口、仿真波形窗口、列表窗口、數(shù)據(jù)流窗口、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)/層次窗口、過(guò)程管理窗口等；

支持單步調(diào)試，斷點(diǎn)設(shè)置，批命令處理方式，幫助設(shè)計(jì)師快速完成設(shè)計(jì)調(diào)試和驗(yàn)證；

可與Renoir協(xié)同工作，完成狀態(tài)圖和流程圖的動(dòng)畫(huà)調(diào)試；

即插即用，可與其它工具結(jié)合，完成各種流程；

支持UNIX和Window 95/NT平臺(tái)，不同平臺(tái)間具有相同的用戶界面和數(shù)據(jù)庫(kù)。