FPGA的編譯過程討論

FPGA的編譯過程討論綜合構(gòu)建FPGA的第一階段稱為綜合。此過程將功能性RTL設(shè)計轉(zhuǎn)換為門級宏的陣列。這具有創(chuàng)建實現(xiàn)RTL設(shè)計的平面分層電路圖的效果。在這種情況下，宏實際上是內(nèi)部FPGA單元的模型。這可以是FPGA中的任何數(shù)字元素，例如觸發(fā)器，RAM或查找表（LUT）。綜合工具我們可以使用許多不同的工具來運行綜合過程。兩個主要的FPGA供應(yīng)商（Xilinix和Intel）都提供適用于大多數(shù)項目的免費綜合工具。除此之外，還有許多我們可以使用的開源綜合工具。這些工具中最流行的是yosys，它經(jīng)常與LatticeFPGA一起使用。也有用于此目的的付費工具。這些工具中最著名的是Synopsys的SynplifyPro和MentorGraphics的LeonardoSpectrum。與免費工具相比，付費工具通常能夠提供更多優(yōu)化的網(wǎng)表。通常，對于大型或高速設(shè)計，我們只需要付費工具即可。綜合過程至少需要兩個輸入。其中第一個是我們設(shè)計的源代碼。我們還需要一個腳本或項目文件，用于定義綜合工具的配置。該腳本通常告訴工具目標(biāo)為哪個FPGA，設(shè)計的引腳以及在運行綜合時使用哪種策略。除此之外，優(yōu)良作法是創(chuàng)建一個文件，該文件定義設(shè)計的時序約束，我們稱之為約束文件。綜合我們使用時序約束來定義有關(guān)FPGA的細節(jié)，而這些細節(jié)無法在源代碼中指定。這包括諸如時鐘頻率，時鐘域數(shù)和外部接口的時序之類的信息。這些細節(jié)決定了綜合器為優(yōu)化FPGA內(nèi)的時序投入了多少精力。邏輯利用率作為綜合過程的一部分，我們還可以對設(shè)計進行一些分析。但是，在布局和布線過程之后，此信息通常更可靠。這些分析中的第一個是設(shè)計的邏輯利用率。該分析詳細說明了我們設(shè)計使用的每種不同類型的FPGA單元有多少個。設(shè)備中的各個單元隨芯片的不同以及供應(yīng)商之間的不同而不同。幾乎所有現(xiàn)代芯片都將包括RAM，某種形式的LUT和觸發(fā)器。高端芯片還可以包括專用的DSP內(nèi)核，時鐘管理模塊（例如PLL）以及其他外圍接口（例如ADC）或?qū)Ｓ玫母咚俳涌?。完成綜合過程后，我們可以生成報告，以絕對值和器件中所有可用單元的百分比告訴我們設(shè)計中使用了多少個單元。在運行綜合過程之后，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)我們的設(shè)計對我們的設(shè)備而言太大了。發(fā)生這種情況時，我們有很多選擇。通常可以通過更改綜合工具的配置來降低利用率。這樣的示例可以是更改FSM編碼或選擇其他綜合算法。如果我們的設(shè)計僅比我們選擇的FPGA大一點，那么這種減少就足夠了。如果這還不能充分降低利用率，那么我們必須選擇一個新的FPGA或提高原始代碼的效率。時序分析運行綜合后，我們還可以分析FPGA的時序。我們使用該分析來確定FPGA是否可以以所需的頻率運行我們的設(shè)計。當(dāng)我們的設(shè)計不能以所需的頻率運行時，我們不能確定內(nèi)部觸發(fā)器將不會有時序違規(guī)。因此，我們無法保證我們的設(shè)備能夠按預(yù)期運行。我們通常會在布局和布線過程之后詳細分析設(shè)計的時序。由于時序取決于FPGA中單元的位置，因此經(jīng)過此過程，結(jié)果將更加準(zhǔn)確。綜合后仿真在綜合過程中，我們可以要求該工具以VHDL或verilog生成網(wǎng)表。此過程還生成一組時序延遲，該時序延遲可對信號通過FPGA的傳播進行建模。然后，我們可以使用此信息來運行我們的綜合網(wǎng)表的仿真。由于這些仿真還可以對我們的設(shè)計時序進行建模，因此它們可以為最終設(shè)備的行為提供更準(zhǔn)確的模型。無論我們在設(shè)計中使用哪種語言，我們通常都使用verilog生成綜合后仿真模型。這樣做的原因是基于Verilog的模型比其VHDL等效模型的仿真速度更快。這對于綜合后仿真尤其重要，因為它們通常執(zhí)行時間較長。運行綜合后仿真有兩個主要優(yōu)點。首先，這些仿真有助于確保我們生成的網(wǎng)表與原始RTL模型的行為相匹配。其次，可以更緊密地考慮芯片的時序。這有助于我們發(fā)現(xiàn)可能與基于時序的錯誤（例如時序違規(guī)）相關(guān)的錯誤。盡管運行后綜合仿真有很多優(yōu)點，但是我們通常不會在設(shè)計流程中這樣做。原因之一是這些仿真需要很長時間才能運行。綜合后的仿真需要幾天來運行全套測試的情況并不少見。另一個原因是，我們也可以在由我們的布局和布線工具生成的網(wǎng)表上運行仿真。由于這些網(wǎng)表更能代表最終的芯片方案，因此最好使用該網(wǎng)表進行任何時序仿真。布局布線（實現(xiàn)）完成綜合后，我們需要將網(wǎng)表映射到FPGA中的實際資源。此過程稱為“布局布線”，實際上包含幾個不同的步驟。通常，此過程的第一階段涉及優(yōu)化網(wǎng)表。我們使用此過程刪除或替換網(wǎng)表中任何多余或重復(fù)的元素。然后，將優(yōu)化后的網(wǎng)表映射到FPGA中的物理單元，這通常稱為布局。完成布局過程后，然后運行稱為布線的過程。我們使用構(gòu)建過程的這一部分來定義所選FPGA中不同單元之間的互連。為了滿足設(shè)計的時序要求，我們通常會執(zhí)行此過程的幾次運行。但是，布局布線工具負責(zé)根據(jù)我們的配置安排這些多次運行。當(dāng)我們難以使設(shè)計滿足時序要求時，通常會增加允許工具執(zhí)行的運行次數(shù)和類型。布局布線工具對于Xilinx或Intel部件，沒有第三方布局和布線工具，這意味著我們必須使用供應(yīng)商特定的工具。這些版本可以免費下載，盡管也提供付費版本。這些工具也有付費版本可用，盡管通常只有針對高端FPGA的設(shè)計才需要它們。對于萊迪思的FPGA，開源的nextpnr軟件是一種流行的布局布線工具。根據(jù)我們設(shè)計的大小，布局和布線過程可能需要幾個小時才能完成。與綜合過程一樣，布局布線工具需要大量輸入才能正確運行。我們使用綜合工具生成的網(wǎng)表是最重要的輸入。該網(wǎng)表通常是.edf文件，盡管這在工具之間有所不同。通常，我們還使用項目文件或腳本來確定布局和布線工具的配置。我們使用它來定義重要信息，例如FPGA零件號和封裝。除此之外，我們使用此腳本定義布局和路線工具的配置。我們還需要向工具提供一個約束文件，以定義我們設(shè)計的時序特征。該文件通常與我們在綜合過程中使用的文件相同，該文件定義了有關(guān)時鐘頻率和域的信息。我們還使用約束文件來定義我們的設(shè)計的物理特性，而這些特性在HDL代碼中無法描述。至少，這將包括輸入和輸出到設(shè)備物理引腳的映射。流程圖顯示了綜合網(wǎng)表，約束和項目文件作為布局和布線工具的輸入，網(wǎng)表作為輸出。布局布線時序與利用率與綜合過程一樣，在布局和路線完成之后，我們可以生成許多報告。這使我們可以進一步分析設(shè)計以確保其正常工作。我們通常會在完成布局和布線過程后運行實用程序報告。該報告詳細介紹了我們用于通過FPGA實現(xiàn)設(shè)計的不同單元的數(shù)量。該報告與我們在綜合過程中可以生成的報告完全相同。但是，當(dāng)我們在完成布局布線過程后生成此報告時，該報告會更準(zhǔn)確。我們通常在完成布局和布線過程后執(zhí)行的另一項分析是靜態(tài)時序分析（STA）。我們使用此過程來計算設(shè)計中所有邏輯鏈的延遲時間。通過計算此信息，布局布線工具可以確定芯片是否能夠以指定的時鐘頻率運行。布局布線工具會在最壞情況和最佳情況下的定時條件下執(zhí)行此分析。但是，最常見的情況是在硅中出現(xiàn)最壞情況下的延遲會導(dǎo)致時序問題。我們通常將STA報告用作設(shè)計驗證的關(guān)鍵部分。如果我們的設(shè)計使STA失敗，那么我們將無法保證FPGA能夠可靠地工作。發(fā)生這種情況時，我們要么必須使用不同的設(shè)置再次運行實施過程，要么