《電子技術(shù)應(yīng)用》
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利用FPGA實現(xiàn)原型板原理圖的驗證
Kapil Batra 意法半導(dǎo)體 Pvt. Ltd.
摘要: 首次流片成功取決于整個系統(tǒng)硬件和相關(guān)軟件的驗證,,有些公司提供的快速原型生成平臺具有許多調(diào)試功能,但這些平臺的價格非常高,,因此最流行的做法是根據(jù)DUT和具體應(yīng)用設(shè)計復(fù)合FPGA板,,驗證這些板的原理圖通常是很麻煩的,本文提出一種利用FPGA實現(xiàn)原型板原理圖驗證的新方法,。
關(guān)鍵詞: FPGA DUT PCB Verilog
Abstract:
Key words :

        首次流片成功取決于整個系統(tǒng)硬件和相關(guān)軟件的驗證,,有些公司提供的快速原型生成平臺具有許多調(diào)試功能,但這些平臺的價格非常高,,因此最流行的做法是根據(jù)DUT和具體應(yīng)用設(shè)計復(fù)合FPGA板,,驗證這些板的原理圖通常是很麻煩的,本文提出一種利用FPGA實現(xiàn)原型板原理圖驗證的新方法,。

圖1:DUT由x86處理器,、主橋(Host Bridge)、
SDRAM控制器和PCI橋組成,。

 

        由 于價格競爭越來越激烈,,首次流片成功或只需少量的修改變得越來越重要。為了達(dá)到這一目標(biāo),,對整個系統(tǒng)(即硬件和相關(guān)軟件)的驗證成為重中之重,。業(yè)界也涌現(xiàn) 了許多策略來幫助設(shè)計師完成RTL上的軟件運行。這些策略提供了在最終硬件還在醞釀之時就開發(fā)軟件的一種途徑,。這種措施也許還不夠,,原因還有兩個:一是仿真系 統(tǒng)可能與實際系統(tǒng)有較大的區(qū)別,二是系統(tǒng)運行速度非常慢,。因此可以考慮先將完整的設(shè)計映射到FPGA中,,再運行目標(biāo)應(yīng)用程序。這樣做可能達(dá)不到最終硅片的 常規(guī)指標(biāo),,但可以測試整個硬件的功能,,系統(tǒng)能夠得到全面的驗證,其中一些測試案例可能是在仿真中根本無法完成的,。另外,,可用于演示的完整系統(tǒng)原型在硅片成 功之前就可以很好地引起客戶的興趣。

        有些公司提供的快速原型生成平臺具有許多調(diào)試功能,。這些電路板平臺具有可編程的互連,,可以將FPGA插接在上面,并將DUT(被測設(shè)計)映射進(jìn)這些FPGA中,。但這些平臺的價格非常高,。因此最流行的做法還是根據(jù)DUT和具體應(yīng)用設(shè)計復(fù)合FPGA板。當(dāng)然,,這些板同樣也能用于測試目標(biāo)應(yīng)用中的最終硅片,。

        驗 證這些板的原理圖通常是很麻煩的,因為原理圖中一些小錯誤會嚴(yán)重影響到設(shè)計進(jìn)度。原理圖驗證工作是人工完成的,,因此錯誤也就在所難免,。如果能夠復(fù)用DUT 驗證環(huán)境驗證電路板原理圖,那么原理圖驗證就可以派上用場了,。本文將討論如何通過編寫少量腳本和修改DUT驗證環(huán)境達(dá)到這一目的,。

方法簡介

        基 本想法是設(shè)法對原理圖進(jìn)行仿真。這了做到這一點,,先將原理圖網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成Verilog網(wǎng)表,。電路板上安裝的不同元件(如FPGA、處理器,、PCI卡,、 SDRAM等)要么用RTL代替,要么用RTL驗證過程中使用的行為模型替代,。值得注意的是,,我們已假設(shè)整個設(shè)計的Verilog/VHDL代碼是現(xiàn)成 的。至于電路板上需要用于測試DUT的處理器,、SDRAM,、PCI器件等其它元件,也假設(shè)已經(jīng)存在相應(yīng)的BFM(總線功能模型)/模型,。由于這一階段是在 功能驗證之后,,而這些元件需要用來測試DUT,并模擬整個系統(tǒng),,因此它們的等效行為模型應(yīng)該在功能驗證中已經(jīng)得到使用,,現(xiàn)在只是重復(fù)使用罷了,即經(jīng)過少許 的努力就能使用相同的環(huán)境和測試案例,。

        上述概念經(jīng)過拓展就可以驗證硅片生成板的原理圖,,基本的假設(shè)是設(shè)計團(tuán)隊擁有硅片的 HDL描述。這才是要點所在,。對于FPGA板,,可以通過某種變通的方法配置FPGA引腳來克服由于原理圖中的錯誤連接導(dǎo)致的問題,即設(shè)計師可以管理并解決 這些錯誤,。但對于準(zhǔn)備用來測試最終硅片的板子來說幾乎是不可能的,。

生成Verilog網(wǎng)表

圖2:包含x86處理器芯片、2個FPGA,、
SDRAM和1個PCI槽道的原型板,。

 

        可以用好幾種原理圖輸入工具生成Verilog網(wǎng)表?;谝韵聨追N限制原因,,這種網(wǎng)表實際上是不能使用的:

1.它將板上的每個元件都看作是一個模塊,,因此生成的Verilog文件中包含所有元件的實例,如FPGA,、電容,、上拉電阻或晶振,而不管這些元件能否在Verilog中建模,。其中有些元件(如串接電阻、去耦電容)可以簡單地從網(wǎng)表中刪除,。

2. 原理圖中的總線通常被連接到符號上的一個個引腳,,而在Verilog模塊中總線可能只有一個端口。因此可能沒有一對一的對應(yīng)關(guān)系,。例如在Verilog模 塊中一個四位輸出地址總線將被聲明為:output [3:0] Address;但原理圖中所有這四個引腳是被獨立聲明的,。這樣會導(dǎo)致原理圖中使用的符號的引腳輸出與Verilog模塊中相應(yīng)符號的可用功能不兼容。

        因此,,設(shè)計師需要編寫一個簡單的腳本,,要么修改這個Verilog網(wǎng)表,要么根據(jù)原理圖輸入工具支持的其它格式創(chuàng)建一個新的網(wǎng)表,。目的是刪除電阻,、電容、電感等模擬元件,,或用等效的Verilog代碼替換它們,。

        為了更好地實現(xiàn)這一目的,可以利用對模擬元件的命名慣例,,或?qū)⑺鼈兌x在一個文件中作為腳本的輸入,。例如,電阻可以被命名為R1,、R23等,,不遵循這個命名慣例的元件可以被定義在約束文件中,這樣腳本就可以將它們關(guān)聯(lián)到等效模型,,或假定短路將它們從網(wǎng)表中去除,。

        一般來說,針對電路板上的不同元件可以采用以下一些慣例:


1. 元件的大多數(shù)電源引腳可以被忽略,。


2. 通常電容都是用作去耦的,,可以被簡單的忽略掉,因為這樣做并不會影響即將被仿真的其它數(shù)字元件之間的互連關(guān)系,。


3. 電感也可以忽略,,在仿真時用短路代替。


4. 電阻可以用Verilog的上拉/下拉或簡單的線按需要替換,。


5. 晶振可以用Verilog庫中提供的時鐘模塊替換,。

        可以在約束文件中定義某些特殊情況,,并作為腳本的輸入??梢詾閂erilog模塊編寫Wrappers以克服總線聲明問題,。這種頂層Verilog網(wǎng)表可以代替DUT功能驗證中早已使用的頂層Verilog文件,并用于驗證環(huán)境中,。

FPGA原型板網(wǎng)表的仿真

        至此頂層Verilog文件中包含了原型板上除工具刪除的元件外的所有元件,。設(shè)計師可以復(fù)用DUT功能驗證使用的已有仿真環(huán)境。這種方法的優(yōu)點在于,,可以復(fù)用相同的測試向量和驗證環(huán)境驗證原理圖,。

        任 何驗證環(huán)境的基本原理都是一樣的,即為DUT提供某種形式的測試向量,,然后對測試結(jié)果與期望值進(jìn)行比較,。根據(jù)設(shè)計的復(fù)雜性有多種達(dá)成的方式。通過下面這個 非常簡單的例子就很好理解了,。例子是一個基于x86處理器的SOC,。為了簡單起見,我們只考慮圖1所示SOC中的少量重要元件,。DUT由x86處理器,、主 橋(Host Bridge)、SDRAM控制器和PCI橋組成,。在驗證環(huán)境中,,為了提高仿真速度,可以把x86處理器看作是一個BFM,,同時提供某種PCI從模型,。簡 單地說,x86 BFM具有某種形式的讀/寫命令,,能產(chǎn)生總線周期,,因此設(shè)計可以運行起來。

圖3:Verilog模塊創(chuàng)建wrapper
以匹配元件的引腳,。

 

        如 圖2所示,,主橋和SDRAM控制器被映射進(jìn)FPGA1,PCI橋被映射時FPGA2,。由腳本產(chǎn)生的頂層Verilog文件包含如圖2所示的所有元件,。至此 就可以在驗證環(huán)境中方便地使用這個頂層Verilog文件,并附于相同的驗證測試向量,。要注意的是還需要為各個Verilog模塊創(chuàng)建wrapper以匹 配元件的引腳,。對于SDRAM和PCI槽道來說,可以使用與RTL驗證環(huán)境中使用的相同模型(即SDRAM模型和PCI主/從模型),。參考圖3,,將 FPGA1作為案例進(jìn)行說明,。

        由于只對環(huán)境作了少量修改,如在編譯列表中增加很少的Verilog文件(wrapper模 型),,用新創(chuàng)建的文件替換頂層文件,,因此可以對原理圖列表實施驗證。這些事情可以通過簡單的perl或shell腳本實現(xiàn)自動處理,,整個任務(wù)將減少到僅指 定一些特殊選項,,同時從命令行運行仿真。

        如果有任何錯誤的連接,,或某些連接被遺忘,,那么仿真結(jié)果就會有相應(yīng)的提示。這種方法可以實現(xiàn)對與模擬元件的連接的部分測試,,因為這部分元件有的從網(wǎng)表中刪除了,有的被等效行為模型所代替,。然而,,有些錯誤還是可以被檢出的。

硅片生成板網(wǎng)表的仿真

        上 述方法同樣可以用來仿真設(shè)計用于測試最終硅片的電路板的網(wǎng)表,。這種方法更適用于對這些板的驗證,,因為正常情況下制造出來的許多板其芯片的并行測試都是可以 完成的。此外,,通過某種途徑配置FPGA引腳可以消除基于FPGA的板上的錯誤,。下面繼續(xù)以上文的例子說明如何將同一概念應(yīng)用到硅片生成板上。

        如 圖1所示,,硅片等效于DUT,。根據(jù)相同的流程創(chuàng)建一個Verilog網(wǎng)表,這個網(wǎng)表將DUT看作是板上的一個芯片和其它外圍設(shè)備,。這是在驗證環(huán)境中必須使 用的頂層文件?,F(xiàn)在我們已經(jīng)有了DUT的完整Verilog描述,因此只需要創(chuàng)建圖4所示的Verilog wrapper,,讓引腳輸出與電路板上的芯片相匹配,。

        綜上所述,這個網(wǎng)表是可以利用以前使用的同一測試向量進(jìn)行操作的,。

本文小結(jié)

        這 種方法已經(jīng)過測試,,目前正用于原理圖的驗證。該方法為原理圖驗證增加了新的方案,。原型/生成板的原理圖的驗證和錯誤檢測可以在極易產(chǎn)生嚴(yán)重問題并影響設(shè)計 周期的早期階段進(jìn)行,。另外,驗證無需額外的開銷,,因為這種方法基于的是業(yè)界常說的‘復(fù)用’原理,,在本案例中復(fù)用的是測試向量和驗證環(huán)境,。

圖4:Verilog wrapper讓引腳輸出
與電路板上的芯片相匹配。

 

參考文獻(xiàn):

* Protel98 - Designers Handbook, Protel.


* Thomas & Moorby's, The Verilog Hardware Description Language, Third Edition, Kluwer Academic Publishers.


* Ellie Quigley, PERL by Example, Pentice Hall PTR.


* John R. Levine et al, Lex & Yacc: O'Reilly & Associates, 2nd edition October 1992.


* Brian W. Kernighan, Dennis M. Ritchie, The C Programming Language, Second Edition, Prentice Hall Of India Pvt Ltd.


* OrCAD Capture 7.20 Design Tutorial, OrCAD.

術(shù)語

DUT-被測設(shè)計


BFM-總線功能模型


RTL-寄存器轉(zhuǎn)移級


SOC-系統(tǒng)級芯片


HDL-硬件描述語言


FPGA-現(xiàn)場可編程門陣列


PCI-外圍設(shè)備互連

作者:Kapil Batra


高級工程師


STMicroelectronics Pvt. Ltd.

Mahesh Chandra


項目經(jīng)理


STMicroelectronics Pvt. Ltd.

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