基于IP核的FPGA 设计方法

一个核首先要有核的功能描述文件, 用于说明该核的功能、时序要求等, 如图2所示, 其次还要包括设计实现和设计验证两个方面的文件, 即不但要有实现核功能的寄存器传输级(RTL ) 源码或网表, 还要有用于核实现后验证逻辑功能正确性的仿真模型和测试向量。硬核的实现较简单, 类似于PCB 设计中IC 芯片的使用, 软核的使用情况较为复杂, 实现后的性能与使用者的具体实现方式有关, 为保证软核的性能, 软核提供者一般还提供综合描述文件, 用于指导软核的综合, 固核的使用介于上述二者之间。

图2　核由设计实现和设计验证组成　很多核提供者都提供核的评价环境和演示、开发板,便于用户了解核的功能和使用。

核基FPGA 设计流程如图3所示。设计输入部分包括:

1) 用户设计逻辑、软核、固核或硬核仿真模型的输入,

2) 功能仿真,

3) 逻辑综合。其中仿真模型是一个行为级模型, 只用作功能仿真, 不进行综合。

图3　核基FPGA 设计流程

设计的输入一般是采用HDL 语言, 如VHDL、V erilog 等, 输入完设计和仿真模型后就可进行功能仿真, 当功能仿真完成后, 就可进行逻辑电路的综合。

用户逻辑和软核的综合应加合理的时序约束, 以满足设计的要求, 约束条件可由综合文件(Synthesis Script ) 给出。完成设计输入后进入设计实现阶段,在此阶段固核的网表和设计约束文件, 用户综合出的网表和设计约束文件一起输入给FPGA 布局布线工具, 完成FPGA 的最后实现, 并产生时序文件用于时序仿真和功能验证。最后进入设计验证阶段,用静态时序分析判定设计是否达到性能要求, 对比功能仿真结果和时序仿真结果, 验证设计的时序和功能是否正确。若设计的性能不能达到要求, 需找出影响性能的关键路径, 并返回延时信息, 修改约束文件, 对设计进行重新综合和布局布线, 如此重复多次直到满足设计要求

为止。若重复多次还不能达到设计要求, 则需修改设计或采用其它实现技术。

3　软核的设计及使用

由于FPGA 的硬件技术迅速发展, 硬件资源越来越丰富, 速度越来越快, 使软核资源利用率不高、工作速度较低等不足得到很大的弥补, 软核在核基设计中作用越来越大。其主要优点是功能与实现技术无关, 使用灵活。这样我们可以很方便地在不同的实现技术下使用软核。如用X IL INX FPGA 实现的软核, 不需改动设计, 重新综合后就可以用ACTEL FPGA 实现, 设计实现的灵活性大为提高。但软核的性能受实现技术影响还是很大, 怎样保证软核达到预想的性能是目前需要解决的难题。国外近年提出了与实现技术无关的可综合软核的思想, 希望通过对编制软核的HDL 源码的某种限制, 并结合综合工具的时序约束功能, 达到部分控制软核性能的目的。如限制软核只能采用严格的同步逻辑设计, 没有反馈环路、多时钟路径、三态逻辑、锁存器和异步置位复位触发器, 只使用D 触发器和逻辑门。这样借助于综合工具, 可有效地控制软核关键路径的延时,并预测具体实现技术中软核的性能。当然这是以牺牲一定的FPGA 逻辑资源为代价的, 但随着硅技术的发展, 硬件资源十分丰富, 用一定的硬件资源浪费去换取设计灵活性提高是值得的, 正如在PC 机软件设计中, 现在已很少有人过多考虑程序占用的存储空间一样。

本文作者按照上述软核设计思想, 采用全同步逻辑设计, 只使用D 触发器和逻辑门, 实现了与PIC16C57兼容的8位微控制器的设计。顶层结构如图4, 采用哈佛结构, 取指和指令执行并行工作, 除少数几条程序跳转指令外, 全部为单时钟周期指令。程序存储器ROM 一般放在FPGA 外, 若ROM 中指令较少, 也可放在FPGA 内。数据总线采用多路选择器形式, 以适应不同的实现技术。指令寄存器和特殊功能寄存器, 包括IO 端口寄存器、状态寄存器、程序计数器等, 都由D 触发器构成, 通用寄存器采用了FPGA 的RAM 模块, 指令译码和算数逻辑单元由组合逻辑门构成。

图4　8位微控制器顶层结构图