1.2 设计方法的演变

FPGA的设计方法是伴随着芯片架构的演变而演变的。在FPGA诞生初期，由于其内部资源较为单一，因此仅仅扮演着胶合逻辑的角色，在整个系统中只能起到协同作用。此时的设计方法也比较简单，如图1-24所示。设计输入使用RTL（Register Transfer Level，寄存器传输级）描述方式，功能仿真也称为前仿或行为级仿真，以验证设计功能是否正确；综合后仿真（Post Synthesis Simulation）则用于验证综合后的电路功能是否正确；时序仿真又称为后仿，仿真时反标了门级延迟和布线延迟信息，用于验证布线后的电路功能是否正确。一般情况下，无论是综合后仿真还是时序仿真，相比于行为级仿真都更为耗时，尤其是当设计规模比较大时，因此，通常当设计出现问题时才会执行综合后仿真和时序仿真。

随着FPGA内部资源越来越丰富，嵌入了BRAM，增大了存储空间，嵌入了乘加器，增强了计算能力，嵌入了高速收发器，提升了数据传输带宽，进行FPGA设计时要结合算法特征，分析哪些算法适合在FPGA上实现，以充分发挥FPGA的性能，从而形成如图1-25所示的开发流程。这里，软/硬件分割是设计的关键点。总体而言，数据流比较单一、运算密集但比较规整的算法（如FIR数字滤波器、FFT等）就非常适合在FPGA上实现。进一步划分，则要采取“缓存-计算-缓存”的模式，以适配FPGA的架构。而分支较多、判断条件复杂、数据路径形成反馈回路的算法更适合在CPU上实现。同时，FPGA更适合处理定点数据类型（尽管目前FPGA也支持浮点数据类型）。图1-25中FPGA部分的顶层功能验证过程与图1-24一致，可采用Xilinx开发工具ISE（Integrated Software Environment）完成。

针对FPGA子系统，要从3个角度考虑，即物理级设计规范、时序设计规范和硬件设计规范，如图1-26所示。其中，物理级设计规范是为芯片选型服务的，根据资源评估、功耗预算和时钟频率确定芯片型号。时序设计规范是指在确定时钟网络拓扑结构（时钟管脚位置、输入时钟频率、输出时钟频率、全局时钟/区域时钟）的基础上，规划I/O时序（尤其是源同步设计和系统同步设计）和跨时钟域路径时序，基于此描述时序约束。硬件设计规范则是指根据数据流合理规划RTL代码层次结构，在此基础上进行各子模块的开发，最终为时序收敛服务。

在硬件设计规范中，RTL代码层次结构是重点，这对综合、布局布线和时序收敛都会产生直接影响，应遵循的原则如下。

• 需要实例化的输入/输出单元（如IDDR、ODDR、ISERDES、OSERDES等）应尽可能靠近设计顶层，尽管IBUF、OBUF、IOBUF和OBUFT可由综合工具自动推断出来，但要确保IOBUF、OBUFT的使能信号和输入/输出信号在同一层次，以确保工具正确推断。

• 将时钟生成模块（通常采用IP Clocking Wizard生成时钟，不建议使用MMCM或PLL原语）放在顶层，方便其他模块使用时钟。

• 在层次边界添加寄存器，确保关键模块是寄存器输出，这样可将关键路径隔离在单一层次或模块之内，对于修复时序违例及设计调试大有裨益。

• 确保需要手工布局的模块在同一层次之内。

图1-27给出了基于上述原则而形成的层次结构，图中，每个子模块的阴影部分表示输出寄存器。

随着FPGA中嵌入ARM核构成SoC芯片，如Zynq-7000，SoC的设计方法应运而生，如图1-28所示。在软/硬件分割阶段，根据算法特征和系统需求（是否运行操作系统）将系统分为两大模块：硬件模块（在PL上实现）和软件模块（在PS上实现）。硬件开发依然采用传统的FPGA开发模式。软件开发则需要借助Xilinx开发工具SDK（Software Development Kit）。

芯片架构和设计方法的演变也催生了Xilinx新一代开发工具Vivado的问世，随之问世的还有高层次综合工具Vivado HLS（现更名为Vitis HLS），Vivado反过来又影响了设计方法。如图1-29所示，Vivado提出了以IP为核心的设计理念，进一步强调了设计的可复用性。在设计输入阶段，设计源文件可以是传统的RTL代码，可以是C/C++或OpenCL模型（采用Vitis HLS开发），也可以是Simulink下的AIE模型、HDL模型（原System Generator）或HLS模型（这3个模型隶属于同一个开发工具Vitis Model Composer，该开发工具嵌入在Simulink中）。其中，以高级语言（C/C++或OpenCL）描述的模型和以Vitis Model Composer搭建的模型均为高抽象度模型，需要借助相应的工具将其转化为HDL（Hardware Description Language）代码。而Vitis HLS或Vitis Model Composer最终都将其封装为IP，同时，传统的RTL代码描述的模型也可以通过IP封装器（IP Packager）封装为IP，这些IP均可直接嵌入Vivado IP Catalog当作常规IP使用，也可以直接在IP集成器（IP Integrator，IPI）中以模块方式使用。这样，在IPI中进行设计开发就像搭积木一样。基于IPI开发设计形成的文件为.bd文件，为了实现IPI模型的可复用，Vivado又引入了BDC（Block Design Container）功能，即可以在一个IPI模型中实例化另一个IPI模型。在设计调试方面，可以借助VLA（Vivado Logic Analyzer，Vivado逻辑分析仪）。VLA取代了ISE时代的ChipScope。使用VLA需要在设计中添加ILA（Integrated Logic Analyzer）或VIO（Virtual Input/Output）。有3种方式可以完成这一操作：①在RTL代码中实例化ILA和VIO（VIO仅支持代码实例化）；②在综合后的网表中插入ILA；③在布线后的网表中采用ECO（Engineering Change Order，工程变更命令）方式修改ILA。

对比图1-29和图1-24不难发现，Vivado要求在综合之后就要对设计进行时序分析，确保建立时间收敛或接近收敛，这实际上是一个重大变化。这意味着若综合后依然存在建立时间违例，那么布线后时序收敛的可能性也不会大。

在软件开发方面，Xilinx于2019年推出了统一的软件开发平台Vitis，取代了原有的SDAccel，同时，其功能进一步增强。SoC、MPSoC、AIE均可在Vitis下进行开发。

无论工具如何推陈出新，功能如何变化，到目前为止，FPGA设计始终遵循的一个思路就是提高设计的可复用性。简而言之，对于一些常用模块，通过参数化处理，使其可以适配不同项目的需求，提高设计的可复用性。这样的好处是避免了重复开发，从而缩短开发周期，同时因为这些模块已经经过实际项目的验证，所以在功能和质量方面都有所保障。这其实就是用户自己开发的IP。我们把“可复用性”的理念进一步扩大，如图1-30所示。设计输入阶段，从RTL代码到C/C++代码，再到Model Composer模型，都可以做成参数化形式。相应的功能仿真阶段用到的HDL测试平台、C/C++测试平台和Model Composer测试平台也可以做成参数化形式。

本书提供的很多VHDL代码均已做参数化处理，可以方便快捷地实现设计复用。