FPGA设计流程指南.docx

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FPGA设计流程指南

FPGA设计流程指南

前言

本部门所承担的FPGA设计任务主要是两方面的作用：

系统的原型实现和ASIC的原型验证。

编写本流程的目的是：

●在于规范整个设计流程，实现开发的合理性、一致性、高效性。

●形成风格良好和完整的文档。

●实现在FPGA不同厂家之间以及从FPGA到ASIC的顺利移植。

●便于新员工快速掌握本部门FPGA的设计流程。

由于目前所用到的FPGA器件以Altera的为主，所以下面的例子也以Altera为例，工具组合为modelsim+LeonardoSpectrum/FPGACompilerII+Quartus，但原则和方法对于其他厂家和工具也是基本适用的。

目录

1.基于HDL的FPGA设计流程概述1

1.1设计流程图1

1.2关键步骤的实现2

1.2.1功能仿真2

1.2.2逻辑综合2

1.2.3前仿真3

1.2.4布局布线3

1.2.5后仿真（时序仿真）4

2.VerilogHDL设计4

2.1编程风格（CodingStyle）要求4

2.1.1文件4

2.1.2大小写5

2.1.3标识符5

2.1.4参数化设计5

2.1.5空行和空格5

2.1.6对齐和缩进5

2.1.7注释5

2.1.8参考C语言的资料5

2.1.9可视化设计方法6

2.2可综合设计6

2.3设计目录6

3.逻辑仿真6

3.1测试程序（testbench）7

3.2使用预编译库7

4.逻辑综合8

4.1逻辑综合的一些原则8

4.1.1关于LeonardoSpectrum8

4.1.1大规模设计的综合8

4.1.3必须重视工具产生的警告信息8

4.2调用模块的黑盒子（Blackbox）方法8

参考10

修订纪录10

1.基于HDL的FPGA设计流程概述

1.1设计流程图

说明：

●逻辑仿真器主要指modelsim，Verilog-XL等。

●逻辑综合器主要指LeonardoSpectrum、Synplify、FPGAExpress/FPGACompiler等。

●FPGA厂家工具指的是如Altera的Max+PlusII、QuartusII，Xilinx的Foundation、Alliance、ISE4.1等。

1.2关键步骤的实现

1.2.1功能仿真

说明：

“调用模块的行为仿真模型”指的是RTL代码中引用的由厂家提供的宏模块/IP，如Altera提供的LPM库中的乘法器、存储器等部件的行为模型。

1.2.2逻辑综合

说明：

“调用模块的黑盒子接口”的导入，是由于RTL代码调用了一些外部模块，而这些外部模块不能被综合或无需综合，但逻辑综合器需要其接口的定义来检查逻辑并保留这些模块的接口。

1.2.3前仿真

说明：

一般来说，对FPGA设计这一步可以跳过不做，但可用于debug综合有无问题。

1.2.4布局布线

1.2.5后仿真（时序仿真）

2.VerilogHDL设计

基于将来设计转向ASIC的方便，本部门的设计统一采用VerilogHDL，但针对混合设计和混合仿真的趋势，所有开发人员也应能读懂VHDL。

VerilogHDL的学习可参考[1][2]。

2.1编程风格（CodingStyle）要求

2.1.1文件

（1）每个模块（module）一般应存在于单独的源文件中，通常源文件名与所包含模块名相同。

（2）每个设计文件开头应包含如下注释内容：

●年份及公司名称。

●作者。

●文件名。

●所属项目。

●顶层模块。

●模块名称及其描述。

●修改纪录。

请参考标准示例程序[3]。

2.1.2大小写

（1）如无特别需要，模块名和信号名一律采用小写字母。

（2）为醒目起见，常数（`define定义）/参数（parameter定义）采用大写字母。

2.1.3标识符

（1）标识符采用传统C语言的命名方法，即在单词之间以“_”分开，如：

max_delay、data_size等等。

（2）采用有意义的、能反映对象特征、作用和性质的单词命名标识符，以增强程序的可读性。

（3）为避免标识符过于冗长，对较长单词的应当采用适当的缩写形式，如用‘buff’代替‘buffer’，‘ena’代替‘enable’，‘addr’代替‘address’等。

2.1.4参数化设计

为了源代码的可读性和可移植性起见，不要在程序中直接写特定数值，尽可能采用`define语句或paramater语句定义常数或参数。

2.1.5空行和空格

（1）适当地在代码的不同部分中插入空行，避免因程序拥挤不利阅读。

（2）在表达式中插入空格，避免代码拥挤，包括：

赋值符号两边要有空格；

双目运算符两边要有空格；

单目运算符和操作数之间可没有空格，

示例如下：

a<=b;

c<=a+b;

if（a==b）then...

a<=~a&c;

2.1.6对齐和缩进

（1）不要使用连续的空格来进行语句的对齐。

（2）采用制表符Tab对语句对齐和缩进，Tab键采用4个字符宽度，可在编辑器中设置。

（3）各种嵌套语句尤其是if...else语句，必须严格的逐层缩进对齐。

2.1.7注释

必须加入详细、清晰的注释行以增强代码的可读性和可移植性，注释内容占代码篇幅不应少于30%。

2.1.8参考C语言的资料

要形成良好的编程风格，有许多细节需要注意，可以参考资料[4]，虽然它是针对C语言的讨论，但由于VerilogHDL和C语言的形式非常近似，所以里面提到的很多原则都是可以借鉴的。

2.1.9可视化设计方法

为提高设计效率和适应协同设计的方式，可采用可视化的设计方法，MentorGrahpics的Renoir软件提供了非常好的设计模式。

2.2可综合设计

用HDL实现电路，设计人员对可综合风格的RTL描述的掌握不仅会影响到仿真和综合的一致性，也是逻辑综合后电路可靠性和质量好坏最主要的因素，对此应当予以充分的重视。

学习可综合的HDL请参考[5][6][7]。

学习设计的模块划分请参考[8]。

2.3设计目录

采用合理、条理清晰的设计目录结构有助于提高设计的效率、可维护性。

建议采用类似下面的目录结构：

（1）

（2）

3.逻辑仿真

考虑到性能和易用性，首选的逻辑仿真器是MentorGraphics的modelsim。

3.1测试程序（testbench）

测试程序对于设计功能和时序的验证有着举足轻重的影响，测试激励的完备性和真实性是关键所在，有以下原则须遵循：

（1）测试激励输入和响应输出采集的时序应当兼顾功能仿真（无延时）和时序仿真（有延时）的情况。

（2）对于周期较多的测试，为提高效率，尽可能采用程序语句来判断响应与标准结果是否一致，给出成功或出错标志，而不是通过观察波形来判断。

（3）采用基于文件的测试是很好的办法，即由matlab或spw等系统工具产生测试数据，测试程序将其读入产生激励，再把响应结果写入到文件，再交给上述工具进行处理或分析。

（4）仿真器支持几乎所有的VerilogHDL语法，而不仅仅是常用的RTL的描述，应当利用这一点使测试程序尽可能简洁、清楚，篇幅长的要尽量采用task来描述。

3.2使用预编译库

在进行功能仿真和后仿真时都需要某些模块的行为仿真模型和门级仿真模型，如AlteraQuartus里的220model.v（LPM模块行为仿真模型）和apex20ke_atoms.v（20KE系列门级仿真模型），为避免在不同的设计目录中多次编译这些模型，应当采用一次编译，多次使用的方法。

具体做法如下（以20KE门级库为例）：

1：

在某个工作目录下新建一库名apex20ke，将apex20ke_atoms.v编译到其中。

2：

在图形界面中的LoadDesign对话框中装入仿真设计时，在Verilog标签下指定预编译库的完整路径。

（见下图）

4.逻辑综合

目前可用的FPGA综合工具有MentorGraphics的LeonardoSpectrum，Synplicity的Synplify和Synopsys的FPGACompilerII/FPGAExpress，LeonardoSpectrum由于性能和速度最好，成为我们首选的综合器，FPGACompilerII/FPGAExpress由于可以和DesignCompiler代码兼容也可用。

见参考[9]

4.1逻辑综合的一些原则

HDL代码综合后电路质量的好坏主要取决于三个方面：

RTL实现是否合理、对厂家器件特点的理解和对综合器掌握的程度。

参考[10]中有比较全面的讨论。

4.1.1关于LeonardoSpectrum

LeonardoSpectrum对综合的控制能力比较强，但使用也略为复杂，故需要在使用前尽量熟悉其功能，才能取得较好的综合结果。

当出现综合结果不能满足约束条件时，不要急于修改设计源文件，应当通过综合器提供的时序和面积分析命令找出关键所在，然后更改综合控制或修改代码。

在LeonardoSpectrum2000.1b以前的版本输出的.v网表都不能用于仿真。

4.1.1大规模设计的综合

●分块综合

当设计规模很大时，综合也会耗费很多时间。

如果设计只更改某个模块时，可以分块综合。

如有设计top.v包含a.v和b.v两个模块，当只修改a.v的话，可以先单独综合b.v，输出其网表b.edf，编写一个b模块的黑盒子接口b_syn.v，每次修改a.v后只综合top.v、a.v、b_syn.v，将综合后的网表和b.edf送去布线，可以节约综合b模块的时间。

●采用脚本命令

当设计规模比较大时，综合控制也许会比较复杂，可以考虑采用脚本控制文件的方式进行综合控制，modelsim、LeonardoSpectrum和Quartus都支持TCL（ToolCommandLanguage）语言，采用脚本控制可以提供比图形界面更灵活和更方便的控制手段。

4.1.3必须重视工具产生的警告信息

综合工具对设计进行处理可能会产生各种警告信息，有些是可以忽略的，但设计者应该尽量去除，不去除必须确认每条警告的含义，避免因此使设计的实现产生隐患。

这个原则对仿真和布局布线同样适用。

4.2调用模块的黑盒子（Blackbox）方法

使用黑盒子方法的原因主要有两点：

一是HDL代码中调用了一些FPGA厂家提供的模块（如Altera的LPM模块）或第三方提供的IP，这些模块不需要综合，而且有些综合器也不能综合（如FPGACompilerII/FPGAExpress可以综合包含LPM的代码而LeonardoSpectrum不能）。

因此须提供一个黑盒子接口给综合器，所调用的模块到布局布线时才进行连接。

二是方便代码的移植，由于厂家提供的模块或第三方提供的IP通常都是与工艺有关的，直接在代码中调用的话将不利于修改，影响代码移植。

下面以调用Alter