(完整版)華為fpga設(shè)計(jì)流程指南

1、FPGA設(shè)計(jì)流程指南前言本部門所承擔(dān)的 FPGA 設(shè)計(jì)任務(wù)主要是兩方面的作用：系統(tǒng)的原型實(shí)現(xiàn)和 ASIC 的原型驗(yàn)證。編寫本流程的目的是：在于規(guī)范整個(gè)設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)開發(fā)的合理性、一致性、高效性。形成風(fēng)格良好和完整的文檔。實(shí)現(xiàn)在 FPGA 不同廠家之間以及從 FPGA 到 ASIC 的順利移植。便于新員工快速掌握本部門FPGA 的設(shè)計(jì)流程。由于目前所用到的FPGA 器件以 Altera 的為主，所以下面的例 子 也 以Altera為 例 ， 工 具 組 合 為modelsim+LeonardoSpectrum/FPGACompilerII + Quartus ，但原則和方法對于其他廠家和工具也是

2、基本適用的。V目 錄1. 基于 HDL 的 FPGA 設(shè)計(jì)流程概述 .11.1設(shè)計(jì)流程圖 .11.2關(guān)鍵步驟的實(shí)現(xiàn) .21.2.1功能仿真 .21.2.2邏輯綜合 .21.2.3前仿真 .31.2.4布局布線 .31.2.5后仿真（時(shí)序仿真） .42. Verilog HDL 設(shè)計(jì) .42.1編程風(fēng)格（ Coding Style）要求 .42.1.1文件 .42.1.2大小寫 .52.1.3標(biāo)識符 .52.1.4參數(shù)化設(shè)計(jì) .52.1.5空行和空格 .52.1.6對齊和縮進(jìn) .52.1.7注釋 .52.1.8參考 C 語言的資料 .52.1.9可視化設(shè)計(jì)方法 .62.2可綜合設(shè)計(jì) .62.3設(shè)

3、計(jì)目錄 .63.邏輯仿真.63.1測試程序（ test bench） .73.2使用預(yù)編譯庫 .74.邏輯綜合.84.1邏輯綜合的一些原則 .84.1.1關(guān)于 LeonardoSpectrum.84.1.1大規(guī)模設(shè)計(jì)的綜合 .84.1.3必須重視工具產(chǎn)生的警告信息 .84.2調(diào)用模塊的黑盒子（ Black box ）方法 .8參考 .10修訂紀(jì)錄 .101. 基于 HDL 的 FPGA 設(shè)計(jì)流程概述1.1 設(shè)計(jì)流程圖（ 1）設(shè)計(jì)定義（ 2）HDL 實(shí)現(xiàn)（ 3）功能仿真邏輯仿真器（4）邏輯綜合邏輯綜合器（5）前仿真邏輯仿真器（ 6）布局布線FPGA 廠家工具（ 8）靜態(tài)時(shí)序分析（ 7）后仿真邏輯

4、仿真器（ 9）在系統(tǒng)測試說明：邏輯仿真器主要指modelsim，Verilog-XL 等。邏輯綜合器主要指LeonardoSpectrum、 Synplify 、 FPGAExpress/FPGA Compiler 等。FPGA 廠家工具指的是如Altera 的 Max+PlusII 、QuartusII，Xilinx 的 Foundation、 Alliance 、 ISE4.1 等。1.2 關(guān)鍵步驟的實(shí)現(xiàn)1.2.1 功能仿真調(diào)用模塊的行為仿真模型RTL代碼測試程序（ test bench）測試數(shù)據(jù)邏輯仿真器說明：“調(diào)用模塊的行為仿真模型”指的是 RTL 代碼中引用的由廠家提供的宏模塊 /I

5、P，如 Altera 提供的 LPM 庫中的乘法器、 存儲(chǔ)器等部件的行為模型。1.2.2 邏輯綜合RTL 代碼設(shè)置綜合目標(biāo)調(diào)用模塊的和約束條件黑盒子接口邏輯綜合器EDIF 網(wǎng)表HDL 網(wǎng)表（ netlist ）（ netlist ）說明：“調(diào)用模塊的黑盒子接口”的導(dǎo)入，是由于 RTL 代碼調(diào)用了一些外部模塊， 而這些外部模塊不能被綜合或無需綜合， 但邏輯綜合器需要其接口的定義來檢查邏輯并保留這些模塊的接口。1.2.3 前仿真邏輯綜合器HDL 網(wǎng)表調(diào)用模塊的測試程序測試數(shù)據(jù)（ netlist ）行為仿真模型（ test bench）邏輯仿真器說明：一般來說，對FPGA 設(shè)計(jì)這一步可以跳過不做，但

6、可用于debug 綜合有無問題。1.2.4 布局布線邏輯綜合器設(shè)置布局布線約束條件EDIF 網(wǎng)表調(diào)用模塊的（ netlist ）綜合模型HDL 網(wǎng)表SDF 文件（ netlist ）（標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)格式）下載 /編程文件1.2.5 后仿真（時(shí)序仿真）測試數(shù)據(jù)FPGA 廠家工具HDL 網(wǎng)表SDF 文件FPGA 基本單測試程序（netlist ）（標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)格式）元仿真模型（ test bench）2. Verilog HDL設(shè)計(jì)基于將來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向ASIC 的方便，本部門的設(shè)計(jì)統(tǒng)一采用Verilog HDL ，但針對混合設(shè)計(jì)和混合仿真的趨勢，所有開發(fā)人員也應(yīng)能讀懂VHDL 。Verilog HDL 的學(xué)習(xí)可

7、參考 12 。2.1 編程風(fēng)格（ Coding Style）要求2.1.1 文件（1） 每個(gè)模塊（ module）一般應(yīng)存在于單獨(dú)的源文件中，通常源文件名與所包含模塊名相同。（ 2） 每個(gè)設(shè)計(jì)文件開頭應(yīng)包含如下注釋內(nèi)容：年份及公司名稱。作者。文件名。所屬項(xiàng)目。頂層模塊。模塊名稱及其描述。修改紀(jì)錄。請參考標(biāo)準(zhǔn)示例程序3 。2.1.2 大小寫（ 1） 如無特別需要，模塊名和信號名一律采用小寫字母。（ 2） 為醒目起見，常數(shù)（ define 定義） /參數(shù)（ parameter定義）采用大寫字母。2.1.3 標(biāo)識符（ 1） 標(biāo)識符采用傳統(tǒng) C 語言的命名方法，即在單詞之間以“_”分開，如： max_

8、delay、data_size等等。（ 2） 采用有意義的、能反映對象特征、作用和性質(zhì)的單詞命名標(biāo)識符，以增強(qiáng)程序的可讀性。（ 3） 為避免標(biāo)識符過于冗長，對較長單詞的應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)目s寫形式，如用 buff 代替 buffer ，ena代替enable，addr代替 address等。2.1.4 參數(shù)化設(shè)計(jì)為了源代碼的可讀性和可移植性起見，不要在程序中直接寫特定數(shù)值，盡可能采用define 語句或 paramater 語句定義常數(shù)或參數(shù)。2.1.5 空行和空格（1） 適當(dāng)?shù)卦诖a的不同部分中插入空行，避免因程序擁擠不利閱讀。（ 2） 在表達(dá)式中插入空格，避免代碼擁擠，包括：賦值符號兩邊要有空格

9、；雙目運(yùn)算符兩邊要有空格；單目運(yùn)算符和操作數(shù)之間可沒有空格，示例如下：a<=b;c<=a+b;if (a=b) then .a<=a&c;2.1.6 對齊和縮進(jìn)（ 1） 不要使用連續(xù)的空格來進(jìn)行語句的對齊。（ 2） 采用制表符 Tab 對語句對齊和縮進(jìn)， Tab 鍵采用 4 個(gè)字符寬度 ，可在編輯器中設(shè)置。（ 3） 各種嵌套語句尤其是 if.else 語句，必須嚴(yán)格的逐層縮進(jìn)對齊。2.1.7 注釋必須加入詳細(xì)、清晰的注釋行以增強(qiáng)代碼的可讀性和可移植性，注釋內(nèi)容占代碼篇幅不應(yīng)少于30%。2.1.8 參考 C 語言的資料要形成良好的編程風(fēng)格，有許多細(xì)節(jié)需要注意，可以參考資

10、料4 ，雖然它是針對C 語言的討論，但由于Verilog HDL 和 C語言的形式非常近似，所以里面提到的很多原則都是可以借鑒的。2.1.9 可視化設(shè)計(jì)方法為提高設(shè)計(jì)效率和適應(yīng)協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，可采用可視化的設(shè)計(jì)方法， Mentor Grahpics 的 Renoir 軟件提供了非常好的設(shè)計(jì)模式。2.2 可綜合設(shè)計(jì)用 HDL 實(shí)現(xiàn)電路，設(shè)計(jì)人員對可綜合風(fēng)格的RTL 描述的掌握不僅會(huì)影響到仿真和綜合的一致性， 也是邏輯綜合后電路可靠性和質(zhì)量好壞最主要的因素，對此應(yīng)當(dāng)予以充分的重視。學(xué)習(xí)可綜合的HDL 請參考56 7 。學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的模塊劃分請參考8 。2.3 設(shè)計(jì)目錄采用合理、條理清晰的設(shè)計(jì)目錄結(jié)構(gòu)有

11、助于提高設(shè)計(jì)的效率、可維護(hù)性。建議采用類似下面的目錄結(jié)構(gòu)：（ 1）designsrcsynsimpar（源代碼）（綜合）（仿真）(布局布線 )（ 2）designver1ver2srcsynsimparsrcsynsimpar（源代碼） （綜合）（仿真）(布局布線 )（源代碼） （綜合）（仿真）(布局布線 )3. 邏輯仿真考慮到性能和易用性，首選的邏輯仿真器是Mentor Graphics的 modelsim。3.1 測試程序（ test bench）測試程序?qū)τ谠O(shè)計(jì)功能和時(shí)序的驗(yàn)證有著舉足輕重的影響，測試激勵(lì)的完備性和真實(shí)性是關(guān)鍵所在，有以下原則須遵循：（ 1） 測試激勵(lì)輸入和響應(yīng)輸出采集的

12、時(shí)序應(yīng)當(dāng)兼顧功能仿真（無延時(shí)）和時(shí)序仿真（有延時(shí)）的情況。（ 2） 對于周期較多的測試，為提高效率，盡可能采用程序語句來判斷響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果是否一致，給出成功或出錯(cuò)標(biāo)志，而不是通過觀察波形來判斷。（3） 采用基于文件的測試是很好的辦法， 即由 matlab 或 spw 等系統(tǒng)工具產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)，測試程序?qū)⑵渥x入產(chǎn)生激勵(lì)，再把響應(yīng)結(jié)果寫入到文件，再交給上述工具進(jìn)行處理或分析。（ 4） 仿真器支持幾乎所有的 Verilog HDL 語法，而不僅僅是常用的 RTL 的描述，應(yīng)當(dāng)利用這一點(diǎn)使測試程序盡可能簡潔、清楚，篇幅長的要盡量采用task 來描述。3.2 使用預(yù)編譯庫在進(jìn)行功能仿真和后仿真時(shí)都需要某些

13、模塊的行為仿真模型和門級仿真模型，如Altera Quartus 里的 220model.v（ LPM 模塊行為仿真模型） 和 apex20ke_atoms.（v 20KE 系列門級仿真模型） ，為避免在不同的設(shè)計(jì)目錄中多次編譯這些模型， 應(yīng)當(dāng)采用一次編譯，多次使用的方法。具體做法如下（以20KE 門級庫為例）：1 ： 在 某 個(gè) 工 作 目 錄 下 新 建 一 庫 名apex20ke ， 將apex20ke_atoms.v編譯到其中。2：在圖形界面中的Load Design 對話框中裝入仿真設(shè)計(jì)時(shí)，在 Verilog 標(biāo)簽下指定預(yù)編譯庫的完整路徑。（見下圖）4. 邏輯綜合目 前 可 用 的

14、FPGA 綜 合 工 具 有 Mentor Graphics 的LeonardoSpectrum， Synplicity 的 Synplify 和 Synopsys 的 FPGA CompilerII/FPGA Express， LeonardoSpectrum 由于性能和速度最好，成為我們首選的綜合器， FPGA CompilerII/FPGA Express 由于可以和 Design Compiler 代碼兼容也可用。見參考 94.1 邏輯綜合的一些原則HDL 代碼綜合后電路質(zhì)量的好壞主要取決于三個(gè)方面：RTL實(shí)現(xiàn)是否合理、對廠家器件特點(diǎn)的理解和對綜合器掌握的程度。參考 10 中有比較全面

15、的討論。4.1.1 關(guān)于 LeonardoSpectrumLeonardoSpectrum 對綜合的控制能力比較強(qiáng)，但使用也略為復(fù)雜，故需要在使用前盡量熟悉其功能， 才能取得較好的綜合結(jié)果。當(dāng)出現(xiàn)綜合結(jié)果不能滿足約束條件時(shí)，不要急于修改設(shè)計(jì)源文件，應(yīng)當(dāng)通過綜合器提供的時(shí)序和面積分析命令找出關(guān)鍵所在，然后更改綜合控制或修改代碼。在 LeonardoSpectrum 2000.1b以前的版本輸出的 .v 網(wǎng)表都不能用于仿真。4.1.1 大規(guī)模設(shè)計(jì)的綜合分塊綜合當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)模很大時(shí)，綜合也會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)間。如果設(shè)計(jì)只更改某個(gè)模塊時(shí)，可以分塊綜合。如有設(shè)計(jì) top.v 包含 a.v 和 b.v 兩個(gè)模塊，當(dāng)

16、只修改 a.v 的話，可以先單獨(dú)綜合 b.v，輸出其網(wǎng)表 b.edf，編寫一個(gè) b 模塊的黑盒子接口 b_syn.v，每次修改 a.v 后只綜合 top.v 、a.v、b_syn.v，將綜合后的網(wǎng)表和 b.edf 送去布線，可以節(jié)約綜合 b 模塊的時(shí)間。采用腳本命令當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)模比較大時(shí)，綜合控制也許會(huì)比較復(fù)雜，可以考慮采 用 腳 本 控 制 文 件 的 方 式 進(jìn) 行 綜 合 控 制 ， modelsim 、 LeonardoSpectrum 和 Quartus 都 支 持 TCL （ Tool Command Language）語言，采用腳本控制可以提供比圖形界面更靈活和更方便的控制手段。4.

17、1.3 必須重視工具產(chǎn)生的警告信息綜合工具對設(shè)計(jì)進(jìn)行處理可能會(huì)產(chǎn)生各種警告信息，有些是可以忽略的， 但設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡量去除，不去除必須確認(rèn)每條警告的含義，避免因此使設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生隱患。這個(gè)原則對仿真和布局布線同樣適用。4.2 調(diào)用模塊的黑盒子（Black box）方法使用黑盒子方法的原因主要有兩點(diǎn)：一是 HDL 代碼中調(diào)用了一些FPGA 廠家提供的模塊（如 Altera的 LPM 模塊）或第三方提供的 IP，這些模塊不需要綜合，而且有些綜合器也不能綜合 （如 FPGA CompilerII/FPGA Express 可以綜合包含LPM 的代碼而LeonardoSpectrum 不能）。因此須提供

18、一個(gè)黑盒子接口給綜合器，所調(diào)用的模塊到布局布線時(shí)才進(jìn)行連接。二是方便代碼的移植，由于廠家提供的模塊或第三方提供的IP 通常都是與工藝有關(guān)的，直接在代碼中調(diào)用的話將不利于修改，影響代碼移植。下面以調(diào)用 Altera 的 LPM 庫中的乘法器為例來說明。調(diào)用這樣一個(gè)模塊需要這樣一個(gè)文件：mult8x8.v （可由Quartus 的MegaWizer Plug-in Manager 產(chǎn)生），代碼如下：/ mult8x8.vmodule mult8x8 (dataa, datab, result);input 7:0 dataa;input 7:0 datab;output 15:0 result;/ exemplar translate_off/ synopsys translate_offlpm_multlpm_mult_component(.dataa(dataa),.datab(datab),.aclr(1'b0),.clock(1'b0),.clken(1'