利用APTIX MP3C和Spartan-IIE FPGA實現數據系統(tǒng)的驗證

    摘要：隨著數字電路設計的規(guī)模及復雜程度的提高，對其進行測試試驗證所花費的時間和費用也隨之提高，所以減少測試驗證成本是當前數字電路設計的關鍵。本文利用MP3C和Spartan-IIE FPGA構建平臺來實現數字系統(tǒng)的快速驗證。這二款設備都具有業(yè)界價格最低、驗證速度比較快的特點，利用它們可以大大提高驗證效益。

    關鍵詞：集成電路 MP3C FPGA 網表文件

1 APTIX MP3C介紹

MP3C系統(tǒng)是Aptix公司的產品，是一種價格低、驗證速度快、基于層次化和模塊化的硬件驗證平臺，可以逐步驗證每一個邏輯模塊直到驗證整個系統(tǒng)功能。MP3C硬件中的現場可編程互連電路板（FPCB）和現場可編程互連元件（FPIC）是Aptix公司的專利技術，圖1給出了FPCB和FPIC在MP3C上的部件孔模塊。通過該系統(tǒng)可以40MHz的最快速度調試百萬門級的片上系統(tǒng)；可實時運行軟件作為系統(tǒng)測試矢量；加速仿真與遞歸測試速度和加速完成設計變更；還可隨時利用最新FPGA技術滿足更大的設計規(guī)模需要。此外，MP3C也可以對復雜數字系統(tǒng)進行快速驗證，其中包括ASIC、DSP、微控制器、微處理器、RAM和ROM等。MP3C系統(tǒng)比較適合小批量、多品種的生產。

1．1 現場可編程電路板FPCB

MP3C的FPCB是一個22×16、16層的插孔板，根據應用和設計需求，可以把一些外圍器件、接口和多個FPGA等放置在FPCB上，就像面包板一樣，因此非常靈活方便，這些外圍部件再通過FPIC互相連接起來。MP3C FPCB由許多硬件組成。

    （1）插孔區(qū)（freehole area）

插孔區(qū)分為上下二部分，分別用A到P標記，共64列，每列有40個可用插孔，有2560個插孔可以使用，除去16列作為I/O，共有1920個插孔連接到FPIC上。每列有15個FPGA特殊引腳，包括CLK、GDN和VCC等。

（2）全局互連（global interconnects）

全局連接是FPIC到FPIC的布線源，3個FPIC中每一個都有140根連線連接到其他兩個FPIC，這樣就會提供280個FPIC到FPIC之間的連接，而每一個FPIC的920個布線網中有280個用于FPIC到FPIC之間的連接，其余640個用于連接FPCB上的部件插孔區(qū)域，這樣就可以實現部件之間的互連，如圖2所示。

（3）總線（bus）

除了通過FPIC的布線網和全局連接來實現部件之間的互連外，還可以通過MP3C提供的一個總線結構來實現互連。MP3C系統(tǒng)共有4個總線模板連接器，每一個模板連接器有40個總線引腳，而一個FPGA能夠訪問二個總線模板，這就可以獲得80個總線引腳。

（4）I/O信號

I/O信號使得MP3C FPCB可以和其他設備之間進行通信，它們是進出FPCB的信號。（5）微控制器（microcontroller）

微控制器能為主機系統(tǒng)和MP3C FPCB上的可重配置FPGA之間的通信提供智能接口，微控制器控制FPCB上的能量時序。微控制器的操作系統(tǒng)是存儲在被保護的Flash memory的根塊區(qū)，僅需128kByte，這個3.4Mbyte的Flash存儲器主要用來存儲FPIC和FPGA之間的配置數據。

    （6）現場可編程互連電路（FPIC）

MP3C含有3塊FPIC，每一塊FPIC有1024個緩沖器，排列成一個32×32矩陣形式，FPIC是可重構的雙向連接，每一個緩沖器之間都可以任意布線，使得插接到FPCB上的外圍設備達到互連，而每一個FPIC之間都有140根連線連接到另二個FPIC中的任意一個，這樣，對于每一個FPIC來說就有280根互連線來實現FPIC與FPIC之間的互連。實際上，FPIC就是一個由軟件控制的可編程接口，它能使用戶對設計的修改變得非常靈活。圖2表明了它們之間的連接關系。

1．2 與MP3C配套的EXPLORER軟件

Aptix Explorer軟件可以提供一個圖形用戶接口GUI（Graphical User Interface），這上GUI能夠生成設計，并對設計進行編輯和調試。通過Explorer軟件可以提供一個直觀有效的接口來對設計做一系列的操作。EXPLORER軟件主要完成整個系統(tǒng)的搭建、FPGA的布局布線和FPCB的編譯。其操作步驟如下：

（1）設置FPCB參數

用來配置FPCB參數，如說明所使用的FPCB板類型、FPIC序列和說明使用的是那一個FPIC等。

（2）對網表文件（netlist）和設計文件進行設置。

主要輸入網表文件和與設計有關的文件，Explorer軟件支持EDIF和XNF格式的網表文件。

（3）設置Power和Ground

主要是為了說明在部件和針插孔上的Power和Ground引腳是被拉高還是拉低。

    （4）設計節(jié)點（net）/終端特征

主要設置節(jié)點驅動值，其值的范圍為0～100，驅動值的大小決定了節(jié)點在FPIC內部的布線順序。驅動值越大就越先布線，因此，可以優(yōu)先選擇最短的路徑。

（5）在FPCB上放置部件

把數字系統(tǒng)設計中的模塊放到FPCB上。

（6）對設計進行編譯

編譯可以使被仿真的部件之間實現布線連接，還能控制Explorer軟件和FPCB硬件之間的互連。

（7）對設計進行調試

這是幫助下載帶有新信號布線信息的FPCB信息到MP3C硬件上的過程，做完這一步就可以對設計進行驗證、測試和調試。

2 Spartan-IIE FPGA

2.1 Spartan-IIE FPGA的組成

Spartan-IIE FPGA提供了創(chuàng)建成本優(yōu)化、應用靈活、功能豐富的產品所需要的一切，它的開發(fā)過程遠比任何采用ASIC的方案要容易得多（成本也更低）。該系統(tǒng)板主要包括兩個時鐘源、通用I/O、電源供給、P160擴展槽、LVD 10位接收和傳輸端口、開關按鈕、7段顯示器、JTAG端口、RS-232端口、ISP PROM和XC2S300E-5FG456C FPGA等。其中XC2S300E-5FG456C FPGA和ISP PROM是比較重要的部件。圖3是Spartan-IIE開發(fā)板內部結構。

    2．2 FPGA與PC連接

用Spartan-IIE開發(fā)板來配置Spartan-IIE FPGA的方法有很多：可以通過其JTAG端口直接配置Spartan-IIE FPGA；通過編程在板XC18V02 ISP PROM進行配置，一旦ISP PROM被編程，通過配置端口就能直接配置Spartan-IIE FPGA；也可以通過在系統(tǒng)板上的從動并行/串行端口來配置FPGA。圖4給出Spartan-IIE開發(fā)板支持的Spartan-IIE FPGA配置連接模式。

3 驗證系統(tǒng)

用APTIX MP3C和Spartan-IIE開發(fā)板實現對數字系統(tǒng)進行驗證的系統(tǒng)組成如圖5所示。

在這個驗證系統(tǒng)中，把需要驗證的電路放到MP3C FPCB上，Spartan-IIE開發(fā)板通過J6或J7通過I/O口連接到FPCB硬件，Spartan-IIE開發(fā)板通過串口/并口號計算機相連，工作站通過網線與MP3C通信，也可以把邏輯分析儀連接到MP3C上，實現對系統(tǒng)的在線觀察調試。具體驗證步驟如下：

（1）用51指令對待驗證電路需要的輸入信號和激勵進行編程，程序經編譯后轉換成匯編語言，然后寫入R80515 IP核以便下載到Spartan-IIE FPGA,d Xilinx ISE軟件中對IP核進行仿真和綜合后直接通過并口下載到FPGA中。

（2）用CAD軟件如OrCAD等完成系統(tǒng)頂層原理圖的繪制，需注意其中的接地和電源信號，然后生成網表文件（netlist），把網表文件傳到安裝了EXPLORER軟件的工作站上。

（3）在工作站的EXPLORER軟件上完成整個系統(tǒng)的搭建、MP3C相關參數的設置、輸入網表文件、生成引腳匹配（pinmap）文件和完成MP3C地址設定等，如果在EXPLORER syslib庫中沒有所需要的庫，還要自己建庫，然后就可以進行編譯和調試。

（4）用邏輯分析儀或示波器對某些信號進行觀察，以便進一步查錯和糾錯。這種方法可以很方便地幫助用戶找到出錯的原因。

（5）把驗證電路最后輸出的結果暫存于Spartan-IIE的存儲器中，然后利用串口調試程序在微機上察看結果。目前有很多串口調試程序，如RS-232/RS-485串口通訊程序XP就是一個比較好的程序，如果輸出的結果不正確，就需要檢查錯誤原因，錯誤有可能在硬件方面，也有可能在軟件方面，修改之后回到第一步重新進行驗證。

4 結束語

筆者用這種方法成功實現了對一個復雜FFT電路的驗證。MP3C最具特色的地方就是可編程互連電路板（FPCB）和可編程互連元件（FPIC）的應用，FPIC在FPGA模塊之間提供可編程互連使得在整個設計過程中不用對PCB板進行設計和生產，從而節(jié)省了費用；在FPGA上實現了數字系統(tǒng)的設計，允許將FPGA直接安裝到主板上，可以隨著設計FPGA的設計程序重新編制，無需修改其他FPGA，并且可隨時利用最新FPGA技術滿足更大規(guī)模的設計，因此大大增加了設計的靈活性和方便性；還可以對系統(tǒng)進行在線實時修改、調試，方便快捷。MP3C的這些特點大大提高了IC驗證的效益。