基于FPGA的ASIC協(xié)同原型驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案

鑒于芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度提升， 成功設(shè)計(jì)一個(gè)芯片所牽扯的步驟與過(guò)程也愈加復(fù)雜，所需花費(fèi)的資金也成倍增加，一個(gè)典型的芯片開發(fā)項(xiàng)目的周期和花銷如下所示

可以見(jiàn)到在芯片制造出來(lái)之前，很多精力會(huì)花費(fèi)在RTL代碼驗(yàn)證工作上，另外軟件的相關(guān)開發(fā)工作，也會(huì)在得到芯片前開始，這2方面都需要借助FPGA原形來(lái)模擬芯片的行為，幫助硬件開發(fā)和軟件開發(fā)者，共同提升工作效率。

FPGA原型在數(shù)字芯片設(shè)計(jì)中，基本是必不可少的，原因非常明顯，相比用仿真器，或者加速器等來(lái)跑仿真，F(xiàn)PGA的運(yùn)行速度，更接近真實(shí)芯片，可以配合軟件開發(fā)者來(lái)進(jìn)行底層軟件的開發(fā)。當(dāng)然FPGA原型作為芯片的替身，也是有諸多限制的，比如規(guī)模限制，速度限制，功耗限制，結(jié)構(gòu)限制等，在使用FPGA原型作為芯片的替代時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)的修改，才能完成相應(yīng)功能，甚至有些功能最終無(wú)法覆蓋。

如果對(duì)FPGA中可以映射為ASIC的資源做逐一對(duì)比，我們可以得到這樣的表格。

以上表格看出，除了普通的RTL邏輯以及基本端口，其他的類似存儲(chǔ)時(shí)鐘DSP等，最好都是做手動(dòng)修改進(jìn)行映射，把ASIC設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為FPGA比較靠譜。

要把一塊ASIC做出FPGA的原型，需要大致一下步驟，

1 FPGA選型

2 做板或者購(gòu)買原型板。

3 將ASIC設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換裝入FPGA

4 調(diào)試啟動(dòng)FPGA原型

5 載入軟件協(xié)同運(yùn)行

6 軟硬件系統(tǒng)驗(yàn)證

下文就按照這些步驟逐一討論：

第一個(gè)就是FPGA的選型問(wèn)題，在選型前，當(dāng)然需要對(duì)ASIC的設(shè)計(jì)進(jìn)行大致的了解，包括以下各方面：

選型問(wèn)題最關(guān)心的幾個(gè)維度：

1 容量 其中包括純邏輯容量，存儲(chǔ)容量，dsp單元容量這些

2 內(nèi)置IP 包括時(shí)鐘，存儲(chǔ)控制，cpu等的硬核

3 接口 普通接口與專用高速接口

4 速度 資源占用率在50%左右時(shí)的速度，一般被用來(lái)評(píng)估原型

其中純邏輯容量，也就是ASIC中組合電路與觸發(fā)器的容量，是可以直接與FPGA中的資源換算的。

比如上圖xilinx V7 2000T中有2.4M FF，大致對(duì)應(yīng)ASIC的2輸入與非門10M gates，如果使用率按照50%算，大概放置5M邏輯門沒(méi)問(wèn)題。

內(nèi)置的存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)21M的單雙端口ram，rom，fifo等，如果ASIC中使用的存儲(chǔ)稍微多一點(diǎn)，也可以用lut實(shí)現(xiàn)部分的存儲(chǔ)，替代block ram。

如果使用較多乘加運(yùn)算，也可以映射fpga中的dsp器件實(shí)現(xiàn)，具體各種型號(hào)的FPGA包含多少器件，可以參考xilinx文檔。

對(duì)于內(nèi)置ip，最先要考慮的，就是時(shí)鐘模塊MMCM，一般FPGA會(huì)有幾個(gè)到幾十個(gè)時(shí)鐘模塊，例如下表2000T中包含24個(gè)CMTs，也就是24個(gè)PLL和MMCM，每組PLL和MMCM可以對(duì)一個(gè)時(shí)鐘域的時(shí)鐘進(jìn)行分頻倍頻。一般ASIC會(huì)包含多個(gè)時(shí)鐘域，每個(gè)時(shí)鐘域至少需要一個(gè)CMTs對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行操作，可以據(jù)此選擇使用哪個(gè)FPGA器件。

如要選擇帶有ARM硬核的FPGA來(lái)模擬ASIC中的ARM核，則需要選擇zynq系列。系統(tǒng)中自研的邏輯，則通過(guò)AXI掛入總線中，當(dāng)然這樣未必能使FPGA與ASIC中的系統(tǒng)完全一致，但是作為一個(gè)圓形，也是足夠的，以下是部分帶有ARM核的FPGA的容量以及相應(yīng)IP情況

對(duì)于接口的限制，一般FPGA的普通接口數(shù)量夠大，不會(huì)成為瓶頸，主要在于ASIC所需的特定接口，在FPGA中是否能夠滿足，很多時(shí)候這些特定接口需要外接phy才能完成相應(yīng)功能。

影響FPGA最終運(yùn)行速度的因素很多，包括代碼風(fēng)格，具體設(shè)計(jì)，資源占用率，F(xiàn)PGA型號(hào)等，所以這需要在RTL代碼基本框架完成后，通過(guò)工具綜合才能得到一個(gè)大致數(shù)值，所以作為ASIC原型，盡量選擇速度夠快的FPGA。

通過(guò)以上限定條件，基本可以選出使用哪種FPGA型號(hào)，但是可能ASIC資源占用太多，任何一種都裝不下，這就有2種解決方式了。一種是分塊分別驗(yàn)證，當(dāng)然這樣風(fēng)險(xiǎn)極高，且沒(méi)法直接驗(yàn)證最終系統(tǒng)。

另外就是使用多片F(xiàn)PGA得到原型，這就要涉及不同F(xiàn)PGA之中功能劃分的問(wèn)題，這個(gè)是比較麻煩且有難度的事情，對(duì)FPGA電路設(shè)計(jì)，以及ASIC到FPGA的代碼轉(zhuǎn)換，都有挺多新問(wèn)題。

第2步就是制版，這需要考量的方面也是相當(dāng)多，比如信號(hào)完整性，電源問(wèn)題，時(shí)鐘問(wèn)題，可擴(kuò)展性等，本人對(duì)此沒(méi)有直接經(jīng)驗(yàn)，也就無(wú)從展開。當(dāng)然對(duì)于需要多個(gè)FPGA的驗(yàn)證板，一般實(shí)力的團(tuán)隊(duì)，未必能搞定,所以選擇花錢買平安，直接選用類似HAPS這樣的驗(yàn)證系統(tǒng)，可能更靠譜。

第3步就是ASIC的設(shè)計(jì)裝入FPGA。這需要對(duì)原本面向ASIC的代碼，進(jìn)行修改。

對(duì)于一般的純RTL邏輯，在ASIC中與FPGA中都可以綜合出可用結(jié)果，但是以下表中的器件，需要修改

芯片中的pad，一般是fab廠給出的硬核，具有輸入輸出，驅(qū)動(dòng)上下拉控制等。在轉(zhuǎn)換成FPGA時(shí)，一般會(huì)在例化中直接用assign替代，并.XDC或者.v中指定上下拉等

如果有ASIC門級(jí)網(wǎng)表，可以把底層ASIC實(shí)例器件用verilog行為描述替換，在FPGA綜合中則可以對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)。其他的簡(jiǎn)單cell例化，也可以這樣轉(zhuǎn)換一下。

對(duì)于存儲(chǔ)器，一般可以在FPGA中找到與ASIC功能一致的SRAM，ROM ，可以直接把FPGA MEM 外包一層改變端口名字，替代ASIC MEM。小的嵌入flash，則可以把FPGA的SRAM包一層邏輯來(lái)模仿。

其他的硬核IP， 可能需要在FPGA中尋找功能一致的，并相應(yīng)修改接口，與ASIC代碼中其他部分有效連接。

對(duì)于BIST，最直接的辦法是去除，一般不會(huì)影響實(shí)際功能。

對(duì)于各種門控時(shí)鐘，倍頻分頻等，一般需要針對(duì)FPGA做手動(dòng)修改，使用DCM完成與芯片中時(shí)鐘一致的行為。

以下就一些修改中會(huì)出現(xiàn)的具體問(wèn)題，詳細(xì)說(shuō)明。

首先我們拿到的ASIC設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，基本如下圖所示，最外一圈是各種pad ring，里邊先是芯片的各種輔助功能，包括 clk， rst， power， test，debug等。然后是與芯片實(shí)際功能相關(guān)的部分，可能包括部分模擬電路，數(shù)字電路包括cpu，mem 總線，各種邏輯控制等。我們需要明確用FPGA來(lái)原形驗(yàn)證的，主要是數(shù)字電路中的那些核心功能，芯片核心外部的那些輔助邏輯，很多是需要修改的，也是無(wú)法得到驗(yàn)證的。這里的pad一般直接在FPGA中直接去例化一個(gè)包含幾個(gè)assign語(yǔ)句的 FPGA PAD 等效實(shí)例，clk rst 需要根據(jù)具體上電順序，時(shí)鐘資源做調(diào)整，一般會(huì)對(duì)rst功能進(jìn)行簡(jiǎn)化，做成一個(gè)全局復(fù)位，clk中的分頻與關(guān)斷功能會(huì)放在CMT中實(shí)現(xiàn)。power控制，一般在FPGA中直接忽略，因?yàn)橛肍PGA幾乎無(wú)法模擬各種UPF指定的行為。debug test可以根據(jù)實(shí)際情況保留或者去除，但是即使保持，一般也不會(huì)真的去用。核心功能中需要更改的，一般就是各種內(nèi)部存儲(chǔ)器了。

時(shí)鐘門控 clock gating 一般在ASIC中廣泛使用，一般會(huì)在clk模塊中例化成由latch與門組成的門控單元，對(duì)某個(gè)模塊進(jìn)行時(shí)鐘控制。這些門控單元，如果直接在FPGA中例化為相同邏輯的latch與門，邏輯功能是沒(méi)有問(wèn)題的。但是這時(shí)與門出來(lái)的受控時(shí)鐘，則不能再FPGA的專用時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中走線，而是走普通的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，這樣FPGA能達(dá)到的頻率很差。為了糾正這樣情況，可以把對(duì)寄存器的門控，放在寄存器端，也就是選用FPGA中行如FDCE這樣帶門控的寄存器。這個(gè)過(guò)程可以手動(dòng)完成，但是比較麻煩，一般來(lái)說(shuō)專門的FPGA綜合工具能做這種自動(dòng)轉(zhuǎn)換。比如 vivado中使用 (* gated_clock = "true" *) input clk_a; 標(biāo)定受控時(shí)鐘，并在腳本加入 -gated_clock_conversion on 綜合選項(xiàng)。

當(dāng)然如果需要的可控時(shí)鐘不太多，也就是少于FPGA中BUFGCE的數(shù)量，則可以直接把門控信號(hào)加在 BUFGCE的控制端，輸出就是走時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的門控信號(hào)了。如果FPGA器件中有 BUFHCE，則可以對(duì)更多層級(jí)的時(shí)鐘進(jìn)行門控，也就可以得到更多的受控時(shí)鐘。

有關(guān)FPGA門控時(shí)鐘的更詳細(xì)解釋，可以參照 https://forums.xilinx.com/t5/General-Technical-Discussion/Reg-Clock-gati...

ASIC轉(zhuǎn)變到FPGA使用的綜合約束，在SDC與XDC基本相容，例如

這些都可以直接使用，當(dāng)然很多情況下FPGA還是不可能跑到ASIC速度，必須降速運(yùn)行。另外還需要添加FPGA中對(duì)管腳位置，類型，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度等的約束，以及一些綜合選項(xiàng)

以上即為對(duì)ASIC代碼更改的主要部分，在下到FPGA板調(diào)試前，最好對(duì)更改的FPGA代碼進(jìn)行仿真，確認(rèn)功能正常，減少上板調(diào)試的工作量。

第4步為啟動(dòng)調(diào)試FPGA原型。

在把修改后的FPGA代碼裝入調(diào)試前，先需要保證FPGA板本身是正常可用的，這時(shí)如果是外購(gòu)的開發(fā)板或者類似haps的驗(yàn)證系統(tǒng)，則會(huì)省去一些麻煩。

如果是頭次開發(fā)的FPGA板，則需要先裝入一個(gè)最簡(jiǎn)單的FPGA鏡像文件，測(cè)試一下FPGA的電源供電，下載連接是否可用，然后通過(guò)幾個(gè)用于測(cè)試的FPGA文件，測(cè)試下板上與FPGA連接的其他器件是否正常工作。一般頭次設(shè)計(jì)的板子，多少會(huì)有各種問(wèn)題，比如電源供電問(wèn)題，管腳連接的差分信號(hào)匹配問(wèn)題，阻抗匹配，電流驅(qū)動(dòng)，信號(hào)質(zhì)量等問(wèn)題 如果板子通過(guò)了以上測(cè)試，則可以認(rèn)為電路硬件設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題，可以裝入FPGA原形文件進(jìn)行測(cè)試了。

裝入修改了的FPGA原型模擬ASIC，一般不會(huì)一次成功，一般出現(xiàn)的問(wèn)題可以分為以下三類：

1 RTL邏輯錯(cuò)誤，包括原本ASIC既有的和修改過(guò)程引入的錯(cuò)誤。

2 接口錯(cuò)誤 與外部器件的電信號(hào)連接錯(cuò)誤，包括電壓不匹配，驅(qū)動(dòng)電流不一致等。

3 軟件錯(cuò)誤 MCU運(yùn)行的軟件沒(méi)有正確配置相關(guān)功能導(dǎo)致，這種一般在仿真中難以發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榉抡婧苌龠\(yùn)行真正的軟件系統(tǒng)。

對(duì)fpga原型的板上調(diào)試，可以歸納為以下步驟。

當(dāng)載入實(shí)際運(yùn)行的軟件后，通過(guò)FPGA原型，就可以如同在實(shí)際芯片中一樣，對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試修改，同時(shí)完成系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證工作了。也就進(jìn)入了步驟5.6，這與普通的嵌入式軟件開發(fā)大致相同。

對(duì)于通過(guò)FPGA進(jìn)行原型驗(yàn)證，有以下設(shè)計(jì)流程上的建議，值得參考

以上參考了xilinx網(wǎng)站內(nèi)容，以及FPMM等書。

編輯：hfy