本系列文章從數(shù)字芯片設(shè)計(jì)項(xiàng)目技術(shù)總監(jiān)的角度出發(fā)，介紹了如何將芯片的產(chǎn)品定義與設(shè)計(jì)和驗(yàn)證規(guī)劃進(jìn)行結(jié)合,，詳細(xì)講述了在FPGA上使用硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）內(nèi)核來開發(fā)ASIC原型項(xiàng)目時(shí),，必須認(rèn)真考慮的一些問題。

　　全文從介紹使用IP核這種預(yù)先定制功能電路的必要性開始,，通過闡述開發(fā)ASIC原型設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到的IP核相關(guān)因素,，用八個(gè)重要主題詳細(xì)分享了利用ASIC IP來在FPGA上開發(fā)原型驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考量的因素,。同時(shí)還提供了實(shí)際案例來對這些話題進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　這八個(gè)主題包括：一款原型和最終ASIC實(shí)現(xiàn)之間的要求有何不同,？當(dāng)使用FPGA進(jìn)行原型驗(yàn)證時(shí)會(huì)立即想到哪些基本概念,？在將專為ASIC而設(shè)計(jì)的IP核移植到FPGA架構(gòu)上時(shí)通常會(huì)遇到哪些困難？為了支持基于FPGA的原型,，通常需要對ASIC IP核進(jìn)行哪些更改,？我們?nèi)绾未_保在FPGA上實(shí)現(xiàn)所需的性能？在時(shí)鐘方面必須加以考量的因素有哪些,？如果目標(biāo)技術(shù)是FPGA,，而不是ASIC，那么需要如何測試IP核的功能,？設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最后還應(yīng)該牢記什么,？

　　在以往的文章分析了這八個(gè)主題之后，最后將通過一個(gè)實(shí)際案例來回顧前面講到的八項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)考量因素,，并揭示合規(guī)性測試,、互操作性測和實(shí)現(xiàn)方法，以及從不同的方法可能帶來不同的結(jié)果與目前非常流行的“視點(diǎn)前移（shift left）”模式相結(jié)合來對全文進(jìn)行總結(jié)等精彩內(nèi)容,。

　　作為全球領(lǐng)先的驗(yàn)證解決方案和設(shè)計(jì)IP提供商,，SmartDV的產(chǎn)品研發(fā)及工程應(yīng)用團(tuán)隊(duì)具有豐富的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)。在國產(chǎn)大容量FPGA芯片和IP新品不斷面市,，國內(nèi)RISC-V CPU等IP提供商不斷發(fā)展壯大的今天,，SmartDV及其中國全資子公司“智權(quán)半導(dǎo)體”愿意與國內(nèi)FPGA芯片開發(fā)商、RISC-V IP和其他IP提供商,、集成電路設(shè)計(jì)中心（ICC）合作,，共同為國內(nèi)數(shù)字芯片設(shè)計(jì)公司開發(fā)基于本地FPGA的驗(yàn)證與設(shè)計(jì)平臺(tái)等創(chuàng)新技術(shù)與產(chǎn)品。

　　實(shí)際案例：使用基于FPGA的方法來確認(rèn)USB 3.2 Gen2x1 Device IP

　　要實(shí)現(xiàn)一個(gè)可工作的FPGA原型并不是一件容易的事,。通常,，工程師的想法是使用合適的FPGA邏輯綜合和布局布線（P&R）工具，將已經(jīng)可用于ASIC技術(shù)的IP核映射到足夠大且快速的FPGA上就足夠了,，以達(dá)到一個(gè)功能性FPGA實(shí)現(xiàn),。這里的要求是所需的功能應(yīng)該即刻可用，并且無需進(jìn)行任何更改,。IP核的制造商必須達(dá)到這一期望,。畢竟，IP核應(yīng)該能夠集成到現(xiàn)有設(shè)計(jì)中,，且不會(huì)有任何重大的時(shí)間延遲,。假設(shè)IP供應(yīng)商已經(jīng)提前進(jìn)行了所有必要的測試，以致于將功能集成到現(xiàn)有電路中毫無困難,。

　　然而對于IP提供商來說,，將IP核移植到FPGA架構(gòu)中是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)——如果不付出相當(dāng)大的努力，這幾乎是不可能的,。事實(shí)是,，在沒有適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)架構(gòu)和外圍設(shè)備的情況下，測試一個(gè)孤立的IP核只有有限的價(jià)值,。例如,，“獨(dú)立”實(shí)現(xiàn)并不能保證在符合所有規(guī)范的情況下實(shí)現(xiàn)所需的功能，特別是在FPGA不僅僅包含孤立IP核的情況下,。如果要在FPGA中實(shí)現(xiàn)具有高時(shí)鐘頻率要求的其他電路部件,，這一點(diǎn)尤為重要。

　　IP制造商面臨的一個(gè)特別挑戰(zhàn)是缺乏在后期實(shí)現(xiàn)中添加的電路組件的相關(guān)信息,，如它們的復(fù)雜性,，它們對時(shí)鐘速度的要求等。事實(shí)上,，一個(gè)內(nèi)核可能已經(jīng)成功地在與該問題無關(guān)的ASIC流片中使用了很多次,。畢竟，IP核不僅要滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范所定義的所有參數(shù)（例如,，USB 3.2總線協(xié)議規(guī)范）,，而且即使將其集成到一個(gè)復(fù)雜的整體系統(tǒng)中，該系統(tǒng)被映射到一個(gè)可編程器件（即FPGA）上,，也仍然要能夠工作,。

　　這樣一個(gè)完整系統(tǒng)的復(fù)雜性，加上它的所有組件,，如微處理器,、信號(hào)處理電路和接口，對所需的時(shí)鐘頻率是否能夠?qū)崿F(xiàn)以及FPGA提供的資源是否足夠都有重大影響,。必須有足夠數(shù)量的等效邏輯門,，但其他硬件參數(shù)也有限制,，如存儲(chǔ)器資源、時(shí)鐘分布組件、高速IO和/或收發(fā)器等,。

　　為了實(shí)現(xiàn)可用于在FPGA電路環(huán)境中測試IP核的功能性系統(tǒng)，IP核供應(yīng)商必須考慮的不僅僅是要提供的功能,。IP供應(yīng)商可以接觸到自己創(chuàng)建的功能,，但不能接觸到IP核用戶使用的開發(fā)和測試環(huán)境，也不能訪問連接最終產(chǎn)品的外設(shè),，并通過這些外設(shè)提供物理輸入信號(hào),。同樣，也不能訪問客戶使用的模擬刺激和測試模式生成器,。

　　驗(yàn)證覆蓋范圍也被視為是至關(guān)重要的,；在任何可能的情況下,，都應(yīng)該涵蓋極端情況，以避免在使用IP的后續(xù)階段出現(xiàn)令人不快的意外情況,。值得注意的是測試用的電路板,，通常情況下市場可提供的印刷電路板，與IP核客戶隨后將用于所有測試的電路板都有不同,。

　　在輸出端,，可以預(yù)見到的復(fù)雜性并不比輸入信號(hào)的供應(yīng)端更低。以USB接口為例,，如果實(shí)現(xiàn)接口IP,，就需要使用外部PHY作為物理接口。因?yàn)檫@是一個(gè)模擬接口,，在FPGA上不可用,，因此必須使用外部組件。這種PHY由各種各樣的制造商提供,，盡管希望將USB控制器連接到由最終客戶選擇的外部PHY組件上,，不需要對物理接口進(jìn)行任何與電氣特性相關(guān)的更改，如電壓值,、擺幅,、輸出引腳的驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度或接口的引腳分配，所有參數(shù)都必須在功能測試中進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證,。

　　這是確保物理接口符合所有規(guī)范的唯一方法,，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量也要符合預(yù)期。所有這些功能測試都必須提前進(jìn)行,，以保證在交付前的階段就可提供功能,。由于IP核必須是通用的，即不同的客戶在不同的應(yīng)用中選擇PHY來配套都可用,，測試設(shè)置必須在測試中包括來自不同制造商的許多不同的PHY,。

　　創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫也需要一些工作量。當(dāng)然,，僅僅提供RTL代碼和相應(yīng)的約束條件是不夠的,。為了簡化將IP核集成到現(xiàn)有電路中的工作，通常提供以下數(shù)據(jù)庫：

• Verilog中的RTL設(shè)計(jì)

• RTL能夠在客戶選擇的FPGA邏輯綜合工具上可以進(jìn)行綜合

• 具有豁免文件的Lint,、CDC和邏輯綜合腳本

• Lint,、CDC和邏輯綜合報(bào)告

• 如果適用，提供C語音驅(qū)動(dòng)包（裸機(jī)驅(qū)動(dòng)）

• 更詳細(xì)的技術(shù)文檔

• 易于使用的,、帶有Verilog測試用例的Verilog測試環(huán)境

• IP測試套件

• 為最終用戶集成的IP測試臺(tái)

• 用于RTL地址映射的IP-XACT文件

• 帶有豁免的代碼覆蓋率報(bào)告

• 如果適用,，提供IC設(shè)計(jì)文檔/數(shù)據(jù)表

　　USB 3.2 Gen2x1 Device IP：實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證和確認(rèn)（Validation）

　　為了確認(rèn)USB 3.2 IP核，需要對現(xiàn)有IP核進(jìn)行大量的更改,。包括對RTL代碼本身的更改,，以及對物理輸入和輸出的微調(diào)。對RTL代碼的更改是很有必要的,，以使時(shí)鐘分布和時(shí)鐘生成適應(yīng)目標(biāo)FPGA架構(gòu),。為此,，額外的,、專用于FPGA的庫組件就被實(shí)例化，如所謂的數(shù)字鎖相環(huán)（MMCM）,。

　　這時(shí)也很有必要將數(shù)據(jù)路徑的總線寬度從32位調(diào)整到64位,，否則就不可能控制PIPE接口中的時(shí)間沖突。由于對PIPE接口的更改,，有可能將FPGA中的時(shí)鐘頻率從312.5MHz（32位實(shí)現(xiàn)）降低到156.25MHz（64位實(shí)現(xiàn)）,，從而使設(shè)計(jì)適用于目標(biāo)FPGA目標(biāo)。最后,，F(xiàn)PGA上的布局布線就可以在不存在時(shí)間沖突的情況下完成,。

　　除了上述的設(shè)計(jì)變更之外，Xilinx / AMD的專有微控制器,，即專為該制造商的FPGA開發(fā)的Microblaze處理器也被集成到電路中,，以執(zhí)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置所需的固件代碼。由于USB 3.2 IP核被配置用于大容量存儲(chǔ)應(yīng)用,，因此板載DDR3存儲(chǔ)器被用于外部存儲(chǔ),，該存儲(chǔ)在FPGA本身上不可用，但在選定的原型平臺(tái)上可用,。USB控制器通過主AXI接口訪問該DDR3存儲(chǔ)器,，而USB控制器的核心寄存器由處理器通過AHB從接口訪問。

　　硬件平臺(tái)選擇如下配置：

　　SmartDV USB 3.2 Gen2x1 Device Controller是為USB大容量存儲(chǔ)應(yīng)用而配置的,。它完全符合USB 3.2規(guī)范（rev. 1.0）和USB 2.0規(guī)范（rev. 1.0）,。IP內(nèi)核有以下接口：

• USB 3.2 Gen2物理層接口

　　-64位PIPE數(shù)據(jù)路徑

• USB 2.0物理層接口

　　-16位UTMI兼容接口

• 系統(tǒng)主數(shù)據(jù)路徑接口

　　-64位AXI主接口

• 系統(tǒng)從屬寄存器訪問接口

　　-32位AHB從屬接口

• EPO處理器接口

　　除了可用于證明電路功能（包括仿真、CDC檢查,、linting）正確性而采用的標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)證方法之外,，還進(jìn)行了廣泛的測試以確認(rèn)電路的實(shí)現(xiàn)。最后,，對IP核進(jìn)行了認(rèn)證,。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，USB3.2 Gen2大容量存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行了USB Implementers Forum, Inc.推薦的多項(xiàng)合規(guī)性和互操作性測試,，諸如電氣,、PHY、鏈路層和強(qiáng)度測試,。認(rèn)證測試是在臺(tái)灣的Allion實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的,，這是一家獲得USB-IF認(rèn)證的機(jī)構(gòu),。SmartDV的器件已與多個(gè)第三方主機(jī)進(jìn)行互操作以便進(jìn)行認(rèn)證。

　　具體采用以下方法進(jìn)行確認(rèn)：

　　USB 3.2 Device IP合規(guī)性測試

• USBCV第9章合規(guī)性測試（SSP/SS/HS/FS模式）

• 鏈路層合規(guī)性測試（SSP/SS模式）

　　所有合規(guī)性測試都已成功通過,。

　　USB 3.2 Device IP互操作性測試

• 與USB.org推薦的ASMedia USB 3.2 Gen2 Host進(jìn)行互操作驗(yàn)證

• 器件列舉測試（采用SSP/SS/HS/FS模式）

• 連接/分離測試

• 使用CrystalDiskMark性能基準(zhǔn)測試工具,，來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試（采用SSP/SS/HS/FS模式）

• MSC合規(guī)性測試

• 低功耗測試（睡眠/休眠/冷啟動(dòng)/熱啟動(dòng)）

• 金樹（gold tree）互操作性測試（拓?fù)涓模?/p>

　　所有互操作性測試都已成功通過。

　　圖1：USB 3.2 Gen2x1 Device IP確認(rèn)平臺(tái)框圖

　　為了確認(rèn)USB 3.2 Gen2x1器件的控制器,，使用了來自制造商AMD / Xilinx的現(xiàn)成商用的FPGA平臺(tái),。物理接口是通過使用來自M31公司的外部PHY卡來實(shí)現(xiàn)。

　　USB 3.2 Gen2x1 Device IP實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)

　　在FPGA中實(shí)現(xiàn)USB 3.2控制器絕非易事,。由于一些時(shí)鐘頻率相當(dāng)高,，時(shí)序收斂并不是一件容易的事；它需要對PIPE接口進(jìn)行設(shè)計(jì)更改,，并需要在FPGA的邏輯綜合（Synopsys Synplify Premier）和Xilinx/AMD Vivado工具布局和布線功能中進(jìn)行多次迭代,。值得注意的是，所選FPGA中的邏輯資源利用率相對較低,。

　　可以假設(shè),，在資源利用率較高的情況下，時(shí)序收斂會(huì)更加困難,?；谶@一假設(shè)，我們注意到市場上在過去一段時(shí)間里已經(jīng)出現(xiàn)了一些功能更強(qiáng)大的FPGA器件,，如Xilinx/AMD Virtex Ultrascale+/Kintex Ultrascale+,、英特爾Stratix-10或Lattice CertusPro-NX，它們都基于比Xilinx/AMD Virtex-7 FPGA更先進(jìn)的工藝技術(shù),，雖然后者在設(shè)計(jì)和設(shè)置這些測試的時(shí)候仍然是被廣泛使用的器件,。可以放心地假設(shè),，使用這些新一代FPGA器件可以更容易地確保實(shí)現(xiàn)所需的時(shí)序,。

　　Virtex-7 FPGA（xc7vx485tffg1761-2）的資源利用率如下：

　　通過調(diào)整這兩種工具（Synopsys Synplify Premier和Xilinx/AMD Vivado）的約束和設(shè)置，在不違反時(shí)間約束的情況下就可能實(shí)現(xiàn),。系統(tǒng)中所使用的時(shí)鐘域和對應(yīng)的時(shí)鐘頻率如下圖所示：

　　然而,，即使在時(shí)序收斂之后，設(shè)計(jì)也不會(huì)立即出現(xiàn)在板卡上,。從PHY接收的數(shù)據(jù)沒有在USB 3.2控制器中正確采樣,。因此，有必要部署額外的組件來調(diào)整IO延遲值,，以便正確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,。

　　總的來說，使USB 3.2控制器能夠與外部PHY互操作是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。除了解決某些互操作性問題外,，還需要開發(fā)在Microblaze微控制器上運(yùn)行所需的固件代碼,，以便在大容量存儲(chǔ)應(yīng)用模式下確認(rèn)設(shè)計(jì)。

　　圖2：在SmartDV實(shí)驗(yàn)室中的確認(rèn)和性能測量設(shè)置

　　電路功能的確認(rèn),，以及所有互操作性和合規(guī)性測試,，都是在AMD/Xilinx的標(biāo)準(zhǔn)FPGA板上進(jìn)行的。此外,，測試設(shè)置允許我們?nèi)ゴ_定可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)吞吐量,。所有的測試和測量都使用了合適的設(shè)備。為了確定可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)吞吐量,，我們使用了CrystalDiskMark的性能基準(zhǔn)測試工具,。

　　結(jié)論：魚與熊掌兼得,？

　　部署可同樣用于ASIC和FPGA架構(gòu)的IP核是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù),。因此，必須謹(jǐn)慎選擇IP核供應(yīng)商,，并全面詢問其在FPGA實(shí)現(xiàn)方面的專業(yè)知識(shí),。

　　事實(shí)上，即使一款I(lǐng)P核已經(jīng)經(jīng)歷了許多次成功的ASIC流片,，并在許多芯片產(chǎn)品中得到了使用,，但這并不意味著它可以很容易地用于FPGA。相反,，盡管FPGA的復(fù)雜度通常比硬連線器件低很多,，它們至少也需要與ASIC同樣的重視程度。其將花費(fèi)的努力經(jīng)常被低估和忽視,，特別是在ASIC開發(fā)在實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證方面捆綁了所有工程資源的時(shí)候,。這在很大程度上是因?yàn)樵谟袝r(shí)間壓力的情況下，再加上不斷要求產(chǎn)品能夠盡快進(jìn)入市場,，所以開發(fā)ASIC時(shí)難以對FPGA等可編程器件給予必要的關(guān)注,。

　　事實(shí)仍然是，在ASIC驗(yàn)證中被忽視的錯(cuò)誤幾乎不可避免地會(huì)導(dǎo)致至少需要一次額外的流片,，其結(jié)果是導(dǎo)致成本大幅增加和項(xiàng)目嚴(yán)重延遲,，這與流行術(shù)語“加快產(chǎn)品上市時(shí)間”所描述的完全相反。通過認(rèn)真地使用FPGA原型,，實(shí)現(xiàn)“一次流片成功”的概率顯著增加,，這會(huì)帶來許多優(yōu)勢，包括產(chǎn)品更早進(jìn)入市場,、研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以即刻轉(zhuǎn)向新的項(xiàng)目,、項(xiàng)目整體成本得以優(yōu)化等。

　　FPGA原型設(shè)計(jì)增加了驗(yàn)證覆蓋范圍，并增加了在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性,，從而減少了在后期必須處理的錯(cuò)誤,。當(dāng)然，使用預(yù)定義的和經(jīng)過測試的IP核也提供相當(dāng)大的優(yōu)勢,，因?yàn)樵谶@里可以預(yù)期更少的意外,。通過擴(kuò)展，最佳的IC設(shè)計(jì)解決方案則是結(jié)合了作為原型設(shè)計(jì)載體的FPGA和經(jīng)硅驗(yàn)證的IP內(nèi)核,，來作為無錯(cuò)誤實(shí)現(xiàn)的保證,。使用經(jīng)過試驗(yàn)和測試的驗(yàn)證工具及其所有功能，就可以完成其他工作,，從而實(shí)現(xiàn)早期目標(biāo)并成功完成項(xiàng)目,。

　　現(xiàn)在有一個(gè)很流行的術(shù)語可以形容這種方法：視點(diǎn)前移（shift left）。

　　最后但同樣重要的一點(diǎn)是,，我們必須提到快速完成項(xiàng)目最重要的因素：人,。經(jīng)驗(yàn)豐富的專家團(tuán)隊(duì)對于電路功能的實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證和確認(rèn)的價(jià)值是不言而喻的——這是最主要的成功因素,。對于所有的工具,、輔助工具和預(yù)定義的電路功能而言，如果你不知道如何高效地組合和使用它們,，則它們都是毫無用處的,。無論目標(biāo)是ASIC還是FPGA，擁有強(qiáng)大且可靠的合作伙伴,、具有必要專業(yè)知識(shí)和適當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的專家團(tuán)隊(duì),，都是您成功的關(guān)鍵。

　　雖然電路設(shè)計(jì)從來都不是一件容易的事,，但選擇合適的合作伙伴肯定會(huì)讓您更輕松,。

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