基于FPGA的SoC原型驗(yàn)證的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在SoC開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基于FPGA的原型驗(yàn)證是一種有效的驗(yàn)證方法，它不僅能加快SoC的開(kāi)發(fā)，降低SoC應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，而且提高了流片的成功率。文章主要描述了基于FPGA的SoC原型驗(yàn)證的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，針對(duì)FPGA基驗(yàn)證中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出了解決方案。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；系統(tǒng)級(jí)芯片；原型驗(yàn)證；驗(yàn)證平臺(tái)

0 引言
    隨著SoC設(shè)計(jì)規(guī)模的與日俱增，其功能日趨復(fù)雜，芯片的驗(yàn)證階段占據(jù)了整個(gè)芯片開(kāi)發(fā)的大部分時(shí)間。為了縮短驗(yàn)證時(shí)間，在傳統(tǒng)的仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上涌現(xiàn)了許多新的驗(yàn)證手段，如SDV(Software Driven verification)、BFM(Bus Function Model)等，以及基于FPGA的原型驗(yàn)證技術(shù)。
    因FPGA工藝及技術(shù)的發(fā)展，其速度、容量和密度都大大增加，功耗和成本在不斷的降低，使得基于FPGA的原型驗(yàn)證得到廣泛的應(yīng)用?；贔PGA的原型驗(yàn)證可以比軟件仿真速度高出4～6個(gè)數(shù)量級(jí)，而且還可以提高流片成功率，并為軟件開(kāi)發(fā)提供了硬件平臺(tái)，加速了軟件的開(kāi)發(fā)速度。
    本文主要論述了FPGA基原型驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)方法，并且針對(duì)ARM1136為內(nèi)核的SoC，如何快速而有效地搭建一個(gè)原型驗(yàn)證平臺(tái)做了詳細(xì)的論述，最后還以UART為例來(lái)說(shuō)明一種簡(jiǎn)單、可重用性好、靈活性強(qiáng)的測(cè)試程序架構(gòu)。

1 基于ARM1136的SoC設(shè)計(jì)
    本文驗(yàn)證的SoC芯片是定位于手持視頻播放設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的高性能應(yīng)用處理器，采用了ARM1136作為內(nèi)核，ARM11在提供超高性能的同時(shí)，還能保證功耗、面積的有效性。
    同時(shí)在這個(gè)架構(gòu)中還采用了ARM公司的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)總線，它是一組針對(duì)基于ARM核的片上系統(tǒng)之間通信而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在設(shè)計(jì)中，對(duì)于一些處理數(shù)據(jù)和通訊速度要求較高的設(shè)備掛在AHB總線上，而那些對(duì)總線性能要求不高的設(shè)備掛在APB總線上。
    為了能夠提高一些設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸速度，該設(shè)計(jì)加入了DMA，其支持存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器到外設(shè)、外設(shè)到存儲(chǔ)的傳輸。
    基于ARM11設(shè)計(jì)的SoC系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，這個(gè)系統(tǒng)還包括了USB控制器、LCD控制器、圖像處理單元GPU、視頻處理單元VPU、GPS、I2S、通用異步串口UART、同步串口SPI、TIMER、PWM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、I2C總線和功耗管理單元(PMU)等。

   
2 FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)的快速搭建
    FPGA的發(fā)展為SoC的原型驗(yàn)證提供了巨大的發(fā)揮空間，面對(duì)復(fù)雜的SoC系統(tǒng)，傳統(tǒng)的一些驗(yàn)證方法和單一的驗(yàn)證技術(shù)已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。本文所設(shè)計(jì)的平臺(tái)不僅能加快開(kāi)發(fā)速度，提高流片成功率，而且還具有低錯(cuò)誤率、快速和簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，因此特別適合用于RTL代碼更改頻繁的設(shè)計(jì)中。
2．1 FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)的硬件環(huán)境設(shè)計(jì)
    FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮FPGA的邏緝資源、應(yīng)用資源、擴(kuò)展能力、PCB信號(hào)質(zhì)量、調(diào)試難度、組態(tài)和成本等方面的因素。本原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的FPGA開(kāi)發(fā)板采用的是Terasic公司的DE3開(kāi)發(fā)板，其FPGA芯片是StratixIII EP3SL340，擴(kuò)展板是根據(jù)SoC整體驗(yàn)證方案而設(shè)計(jì)的PCB板。FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)的硬件架構(gòu)如圖2所示，為了使FPGA的調(diào)試性能增強(qiáng)，該平臺(tái)加入了ICE在線調(diào)試器，它可以讓驗(yàn)證人員和軟件開(kāi)發(fā)人員觀察到ARM內(nèi)核和設(shè)計(jì)中各個(gè)寄存器的狀態(tài)信息，并且可以進(jìn)行單步運(yùn)行、在線調(diào)試等。

2．2 FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)的軟件環(huán)境設(shè)計(jì)
    SoC芯片采用的是ASIC工藝流程，ASIC和FPGA在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上是不同的，AISC通常使用綜合工具將RTL級(jí)代碼映射到芯片制造廠提供的標(biāo)準(zhǔn)單元上。這些標(biāo)準(zhǔn)單元包括完成邏輯功能的與非門、非門、或非門等基本門單元和完成存儲(chǔ)功能的各類觸發(fā)器、鎖存器，以及其它的宏單元。而FPGA器件為了實(shí)現(xiàn)可編程功能，通常使用查找表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電路的邏輯功能。本文原型設(shè)計(jì)流程如圖3所示，在圖示中僅是將部分模塊列出，如PMU和GPIO。

2．2．1 設(shè)計(jì)代碼的轉(zhuǎn)換
    雖然FPGA和ASIC所用資源和實(shí)現(xiàn)方式不同，但在進(jìn)行原型設(shè)計(jì)中需要遵循的一個(gè)原則就是“尊重原設(shè)計(jì)”。在FPGA現(xiàn)有資源情況下實(shí)現(xiàn)SoC時(shí)，盡可能地少改動(dòng)原SoC設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上需要對(duì)原設(shè)計(jì)做如下轉(zhuǎn)換：
    (1)存儲(chǔ)模塊。存儲(chǔ)單元是必須進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換的，ASIC中的存儲(chǔ)單元通常用代工廠所提供的Memory Compiler來(lái)定制。如果直接將ASIC代碼中的存儲(chǔ)單元作為FPGA的輸入，通常綜合器是綜合不出來(lái)的，即使能綜合出來(lái)，也要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，并且資源消耗多、性能不好。而FPGA廠商一般提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證并優(yōu)化的存儲(chǔ)單元，因此存儲(chǔ)單元要進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)里用FPGA的RAM宏單元來(lái)替換ESRAM，SoC芯片里面的DDR PHY是模擬的模塊，此要替換成Altera公司的PHY的IP核。
    (2)時(shí)鐘和門控。數(shù)字電路中，時(shí)鐘是整個(gè)電路最重要、最特殊的信號(hào)。在ASIC中，用布局布線工具來(lái)放置時(shí)鐘樹(shù)，利用代工廠提供的PLL進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)計(jì)。而FPGA中通常已經(jīng)配置一定數(shù)量的PLL宏單元，并有針對(duì)時(shí)鐘優(yōu)化的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，一般是經(jīng)過(guò)FPGA的特定全局時(shí)鐘管腳進(jìn)入FPGA內(nèi)部，后經(jīng)過(guò)全局時(shí)鐘BUF適配到全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，這樣的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)可以保證相同的時(shí)鐘沿到達(dá)芯片內(nèi)部每一個(gè)觸發(fā)器的延遲時(shí)間差異可以忽略不計(jì)，因此時(shí)鐘單元需要采用FPGA的PLL宏單元和專門的時(shí)鐘布線資源來(lái)替換。
    為了減少功耗，SoC設(shè)計(jì)中使用了門控時(shí)鐘(clockgating)，如圖4所示，對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō)這種門控時(shí)鐘容易產(chǎn)生毛刺，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不正確，所以在FPGA設(shè)計(jì)中要使用時(shí)鐘使能寄存器代替門控時(shí)鐘。

2．2．2 設(shè)計(jì)綜合
    綜合是將較高級(jí)抽象層次的描述轉(zhuǎn)換成較低層次描述，在這里就是把HDL程序轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的門級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)表。本設(shè)計(jì)采用的EDA工具是Sy-nopsys公司的Synplify，將SoC的各個(gè)模塊分別進(jìn)行綜合，綜合時(shí)要加約束文件和Altera公司的相應(yīng)器件的庫(kù)文件，產(chǎn)生一個(gè)FPGA網(wǎng)表文件。
2．2．3 等價(jià)性檢查
    形式驗(yàn)證(Formal Verification)主要用來(lái)在覆蓋所有可能輸入情況下，檢查是否與給定的規(guī)范一致。等價(jià)性檢查(equivalence check-ing)是形式驗(yàn)證中的一部分，它主要是檢查兩個(gè)門級(jí)網(wǎng)表(gate-level netlisf)之間是否一致，保證網(wǎng)表處理后不會(huì)改變電路的功能，或者檢查RTL和門級(jí)網(wǎng)表之間是否一致，保證網(wǎng)表能正確地實(shí)現(xiàn)RTL代碼所描述的功能，或者檢查RTL間是否一致，保證兩種RTL描述邏輯一致。這種方法主要是用來(lái)尋找實(shí)現(xiàn)(Implementation Design)中的缺陷，而不是設(shè)計(jì)中的缺陷。由于芯片開(kāi)發(fā)中，設(shè)計(jì)代碼將不斷的更改，都需要
更新FPGA的鏡像文件，這樣在頻繁的鏡像制作過(guò)程中，可能會(huì)因?yàn)榄h(huán)境和設(shè)計(jì)的更改引出許多實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的錯(cuò)誤，而本文為了減少這些錯(cuò)誤，采用的Synopsys公司的Formality工具，主要用于檢查網(wǎng)標(biāo)和RTL間是否一致，把RTL設(shè)計(jì)作為Reference Design，而把網(wǎng)標(biāo)作為Imple-mentation Design，在進(jìn)行等價(jià)性檢查時(shí)要加入Altera器件綜合過(guò)程中需要的相關(guān)庫(kù)文件。
2．2．4 設(shè)計(jì)整合和布局布線
    把多個(gè)設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)換合并到一個(gè)設(shè)計(jì)庫(kù)文件中，并把整合后的設(shè)計(jì)輸入到Altera公司的QuartuslI工具，將綜合過(guò)的網(wǎng)表中的邏輯門映射到FPGA的內(nèi)部資源中，如ALUT等。
    布局是指從映射取出定義的邏輯和輸入輸出塊，并把它們分配到FPGA內(nèi)部的物理位置，布線是指利用自動(dòng)布線軟件使用布線資源選擇路徑試著完成所有的邏輯連接。
2．2．5 時(shí)序分析
    在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，在映射后需要對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)際功能塊的延時(shí)和估計(jì)的布線延時(shí)進(jìn)行時(shí)序分析。而在布局布線后，也要對(duì)實(shí)際布局布線的功能塊延時(shí)和實(shí)際布線延時(shí)進(jìn)行時(shí)序分析。時(shí)序分析不僅可以檢查出我們代碼設(shè)計(jì)中的時(shí)序問(wèn)題，還可以檢查出由于布局布線產(chǎn)生的時(shí)序問(wèn)題。在本設(shè)計(jì)中用Altera公司的TimeQuest來(lái)進(jìn)行時(shí)序分析，通過(guò)對(duì)原型設(shè)計(jì)增加時(shí)序約束，提高了工作主頻和減少了關(guān)鍵路徑的延時(shí)。在設(shè)計(jì)中經(jīng)常存在時(shí)序違約的情況，這時(shí)需要查看違約的關(guān)鍵路徑，然后查找原因，進(jìn)行修改后再進(jìn)行時(shí)序分析，重復(fù)整個(gè)過(guò)程直到滿足要求。
2．2．6 鏡像文件的生成和下載配置
    QuartusII經(jīng)過(guò)整合、布局布線等一系列操作后，最終會(huì)生成一個(gè)配置FPGA的位流文件(.sof洛式)，然后利用QuartusII的Programmer工具，通過(guò)USB Blaster下載到FPGA，此時(shí)FPGA實(shí)現(xiàn)了原SoC設(shè)計(jì)的功能，原型驗(yàn)證環(huán)境搭建完成。

3 FPGA原型驗(yàn)證測(cè)試激勵(lì)的設(shè)計(jì)
    測(cè)試程序在FPGA基原型驗(yàn)證中起至關(guān)重要的作用，現(xiàn)在的SoC設(shè)計(jì)很多都采用IP復(fù)用的方式，本文所設(shè)計(jì)出的測(cè)試程序有可重用性好、功能覆蓋率高和調(diào)試簡(jiǎn)易等特點(diǎn)。
    測(cè)試程序的基本框架如圖5所示，具體模塊的測(cè)試程序只需要根據(jù)框架所提供的接口進(jìn)行編寫相應(yīng)的測(cè)試程序即可，代碼主要由以下四部分組成：
    (1)系統(tǒng)啟動(dòng)部分。主要包含系統(tǒng)的異常向量表和系統(tǒng)啟動(dòng)后設(shè)置ARM內(nèi)核的配置程序，如各種模式下的堆棧設(shè)置、開(kāi)啟或關(guān)閉FIR和IRQ、設(shè)定中斷向量表等，在Boot_gfd．s中提供了跳到測(cè)試程序的接口。
    (2)模塊測(cè)試部分。在此部分根據(jù)各個(gè)模塊的功能，編寫相應(yīng)的測(cè)試函數(shù)，系統(tǒng)在執(zhí)行時(shí)會(huì)調(diào)用這些函數(shù)，完成我們各個(gè)模塊的功能測(cè)試。
    (3)頭文件部分。為了方便代碼的編寫和理解，在tyoedef．h文件中對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型做了重新定義并包含了部分公用函數(shù)的宏定義。一個(gè)SoC系統(tǒng)中擁有大量的寄存器，在本設(shè)計(jì)中用Register．h文件來(lái)存放這些寄存器地址的宏定義。
    (4)Scatter文件部分。scatter文件是用來(lái)描述刪連接器生成映像文件時(shí)需要的地址映射信息和加載域信息。

    下面以UART模塊為例，在此框架下根據(jù)其接口編寫相應(yīng)的測(cè)試程序。
    驗(yàn)證計(jì)劃：通過(guò)待驗(yàn)UART與PC進(jìn)行通信來(lái)驗(yàn)證其功能是否正確，主要驗(yàn)證的功能點(diǎn)有：1)寄存器讀寫；2)三種工作模式普通模式、自流控模式、LoopBack模式；3)奇偶校驗(yàn)；4)波特率；5)FIFO觸發(fā)級(jí)。
    測(cè)試程序：根據(jù)上邊的功能點(diǎn)可以劃分兩個(gè)測(cè)試的基本的函數(shù)，一個(gè)是寄存器讀寫的測(cè)試函數(shù)UART_RWTst()，還有一個(gè)就是UART工作配置函數(shù)UART_Config()，這個(gè)函數(shù)提供一個(gè)接口，通過(guò)這個(gè)接口可以配置UART的工作模式、奇偶校驗(yàn)方式、波特率大小、FIFO觸發(fā)級(jí)。在更高層的測(cè)試應(yīng)用程序中調(diào)用配置程序，變化配置參數(shù)，使其與PC進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，然后查看或比對(duì)數(shù)據(jù)，判別其功能是否正確。測(cè)試程序文件結(jié)構(gòu)如圖5所示。
    驗(yàn)證結(jié)果：當(dāng)待驗(yàn)UART向PC發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在PC的超級(jí)終端會(huì)顯示這些數(shù)據(jù)，UART功能驗(yàn)證結(jié)果可通過(guò)觀測(cè)或數(shù)據(jù)比對(duì)來(lái)判斷，如圖6所示。

   
4 結(jié)論
    同樣的測(cè)試激勵(lì)程序在此原型平臺(tái)的執(zhí)行速度要比SDV(Software driven verification)平臺(tái)快4～6個(gè)數(shù)量級(jí)。本驗(yàn)證平臺(tái)的搭建過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行了形式驗(yàn)證和時(shí)序分析，大大減少了在原型設(shè)計(jì)中由于FPGA實(shí)現(xiàn)而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。本平臺(tái)的軟件測(cè)試程序具有接口簡(jiǎn)單、易調(diào)試、可重用性好等特點(diǎn)，筆者在此原型平臺(tái)下完成了部分模塊的驗(yàn)證，有效地提高了驗(yàn)證效率，縮短了項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期，加大了流片成功率。