基于TotalRecall技術(shù)ASIC的FPGA原型驗(yàn)證

郭安華，黃世震

(福州大學(xué)福建省微電子集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350002)

目前ASIC設(shè)計(jì)的規(guī)模及復(fù)雜度正在呈指數(shù)增加，在帶來實(shí)現(xiàn)高性能芯片系統(tǒng)可能性的同時(shí)，也帶來了前所未有的芯片驗(yàn)證問題，驗(yàn)證和調(diào)試所占的時(shí)間可以達(dá)到總工期的70%以上［1］。驗(yàn)證的方法有多種可以選擇，如軟件模擬、硬件加速模擬、硬件仿真及基于FPGA原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證等，這些方法各有利弊。而FPGA原型驗(yàn)證方法一方面可使設(shè)計(jì)者可以較好的把握硬件設(shè)計(jì)的物理特性，硬件平臺(tái)能夠重復(fù)利用;另一方面基于FPGA的原型驗(yàn)證平臺(tái)可以比軟件仿真速度高出4～6個(gè)數(shù)量級(jí)，填補(bǔ)了仿真環(huán)境與實(shí)際芯片的巨大差距。因此，F(xiàn)PGA原型驗(yàn)證具有很高的性價(jià)比。

本文主要描述運(yùn)用ToalRecall技術(shù)結(jié)合FPGA原型的一款鼠標(biāo)芯片ASIC驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)過程。

1 驗(yàn)證方法概述

傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法有軟件模擬、硬件加速模擬、硬件仿真及基于FPGA原型驗(yàn)證等［2］，軟件模擬成本很低但驗(yàn)證花費(fèi)時(shí)間長，而基于FPGA的原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法不僅成本低，而且速度很快。硬件加速模擬及仿真的速度比軟件模擬速度快很多，但比FPGA驗(yàn)證法慢很多，且其成本要比上述兩種方法高很多，所以基于FPGA原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法具有最高性價(jià)比。但傳統(tǒng)基于FPGA原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證的明顯缺點(diǎn)是缺乏對(duì)內(nèi)部信號(hào)、狀態(tài)及寄存器內(nèi)容的可視性。而結(jié)合ToalRecall技術(shù)的FPGA原型驗(yàn)證方法提供了100%的可視性，還能以實(shí)時(shí)硬件速度運(yùn)行。各種驗(yàn)證方法的可視性對(duì)比如圖1所示。

圖1 各種設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法的可視性對(duì)比

2 ASIC芯片架構(gòu)

ASIC，即專用集成電路，是指應(yīng)特定要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。本文所描述的芯片是一款鼠標(biāo)芯片。圖2是設(shè)計(jì)的鼠標(biāo)芯片的系統(tǒng)架構(gòu)框圖，它包含 DSP模塊，ROM，SRAM，Sensor，LED 驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)控制，USB 接口控制器模塊，電壓電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路等。

圖2 ASIC框圖

3 結(jié)合TotalRecall技術(shù)的ASIC設(shè)計(jì)流程

基于加入TotalRecall技術(shù)FPGA原型驗(yàn)證的ASIC設(shè)計(jì)的基本流程如圖3所示［3］。

圖3 結(jié)合TotalRecall技術(shù)FPGA原型的ASIC設(shè)計(jì)的基本流程

由于FPGA技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA在資源、速度、性能等方面都得到了較大的改善，F(xiàn)PGA在密度、速度方面和ASIC的相似性使得基于FPGA的原型運(yùn)行速度接近于現(xiàn)實(shí)速度，不僅可以大大提高系統(tǒng)的仿真速度，而且還可以讓我們盡早地來測(cè)試應(yīng)用軟件，從而達(dá)到節(jié)省整個(gè)ASIC開發(fā)時(shí)間的目的。

4 結(jié)合TotalRecall技術(shù)FPGA原型的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 TotalRecall技術(shù)概述

TotalRecall技術(shù)結(jié)合FPGA原型可以解決傳統(tǒng)基于FPGA原型設(shè)計(jì)驗(yàn)證系統(tǒng)的可視性問題，該驗(yàn)證方法在提供100%可視性的同時(shí)，還可保證FPGA以實(shí)時(shí)硬件速度運(yùn)行。

TotalRecall技術(shù)的原理是在FPGA內(nèi)部復(fù)制邏輯，然后存儲(chǔ)該復(fù)制邏輯的激勵(lì)，同時(shí)延遲其應(yīng)用。圖4是TotalRecall的原理，主輸入端的激勵(lì)信號(hào)直接輸入實(shí)際邏輯塊，輸出端的實(shí)時(shí)響應(yīng)由此邏輯塊產(chǎn)生。同時(shí)，原始測(cè)試矢量也輸入作為緩沖器的存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)檢測(cè)到輸出端的錯(cuò)誤響應(yīng)時(shí)，復(fù)制邏輯及其相應(yīng)存儲(chǔ)緩沖器將暫停。此時(shí)，激勵(lì)存儲(chǔ)緩沖器內(nèi)容及復(fù)制邏輯內(nèi)容狀態(tài)由FPGA器件的JTAG端口導(dǎo)出，并用于軟件仿真器。

4.2 驗(yàn)證板介紹

如圖5所示，F(xiàn)PGA驗(yàn)證板采用了Altera公司的StratixⅡEP2S30F672C5型號(hào)的可編程邏輯芯片，包含27 104個(gè)查找表的資源［4］，完全可以滿足項(xiàng)目的需要。驗(yàn)證板上還提供了一般系統(tǒng)的電壓，板級(jí)的晶振及板級(jí)上電復(fù)位源，為了方便驗(yàn)證板的使用，驗(yàn)證板上還集成了一些外設(shè)及常用的系統(tǒng)接口。此外驗(yàn)證板上還引出了大量FPGA的IO口用于功能擴(kuò)展。

圖5 FPGA驗(yàn)證板

4.3 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換［5］

采用FPGA原型技術(shù)驗(yàn)證ASIC設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要把ASIC設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為FPGA設(shè)計(jì)。但ASIC是基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫，F(xiàn)PGA則是基于查找表，ASIC和FPGA物理結(jié)構(gòu)上的不同，決定了ASIC代碼需要一定的轉(zhuǎn)換才能移植到FPGA上，但這只是由于物理結(jié)構(gòu)不同而對(duì)代碼進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，并不改變其功能。需要轉(zhuǎn)換的代碼主要有以下幾個(gè)方面:

(1)時(shí)鐘單元

ASIC中的時(shí)鐘從時(shí)鐘源出發(fā)，經(jīng)若干層時(shí)鐘緩沖器到達(dá)每個(gè)寄存器的時(shí)鐘端，形成所謂的時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)。ASIC時(shí)鐘樹的插入主要由布局布線工具自動(dòng)完成，利用代工廠的 PLL進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)計(jì)。而FPGA中通常配置了一定數(shù)量的PLL宏單元，且有針對(duì)時(shí)鐘優(yōu)化的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，可以保證相同的時(shí)鐘沿到達(dá)芯片內(nèi)部每個(gè)觸發(fā)器的延遲時(shí)間差異是可以忽略的，所以時(shí)鐘單元是需要轉(zhuǎn)換的。

(2)存儲(chǔ)單元

ASIC中的存儲(chǔ)單元通常用代工廠所提供的Memory Compiler來定制，通常是不能綜合的。而FPGA提供了經(jīng)過驗(yàn)證并優(yōu)化的存儲(chǔ)單元。所以存儲(chǔ)單元必須要進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換的。

(3)增加流水

由于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的不同，PFGA器件內(nèi)部的單元延時(shí)遠(yuǎn)大于ASIC的基本門單元延時(shí)。

從而在同樣設(shè)計(jì)的情況下，ASIC可以滿足時(shí)序，而FPGA有可能無法滿足。為了驗(yàn)證的需要，對(duì)ASIC實(shí)現(xiàn)的流水結(jié)構(gòu)在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)需要適當(dāng)增加流水。

(4)同步設(shè)計(jì)

在FPGA設(shè)計(jì)中，同步設(shè)計(jì)是非常重要的，當(dāng)從ASIC轉(zhuǎn)向FPGA設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行同步。在ASIC的設(shè)計(jì)中，為了減少功耗，使用了門控時(shí)鐘，但由于設(shè)計(jì)的異步特性，對(duì)于FPGA來說，使用這種門控時(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，使用使能信號(hào)的電路來代替門控時(shí)鐘電路。

4.4 模擬部分的整合

FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件，只能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路，模擬電路無法在FPGA中實(shí)現(xiàn)。要驗(yàn)證這些模擬IP核，可以選用同樣功能的芯片或者這些模擬IP核的樣片來代替，與FPGA共同實(shí)現(xiàn)它們的功能，其中比較重要的幾個(gè)模擬IP轉(zhuǎn)換的方案如下所述［6］:

(1)系統(tǒng)電源由FPGA驗(yàn)證板提供的電壓源來實(shí)現(xiàn);

(2)系統(tǒng)復(fù)位可由FPGA板級(jí)上電復(fù)位源作為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)實(shí)現(xiàn);

(3)系統(tǒng)中的Sensor和ADC由樣片和相同功能的芯片來實(shí)現(xiàn);

(4)系統(tǒng)中ROM和SRAM可由FPGA內(nèi)部的RAM及外部的SRAM實(shí)現(xiàn);

(5)系統(tǒng)時(shí)鐘由振蕩器提供，采用FPGA板的晶振作為時(shí)鐘源。

5 結(jié)合TotalRecall技術(shù)FPGA原型的驗(yàn)證

結(jié)合TotalRecall技術(shù)FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，此平臺(tái)主要由PC機(jī)、FPGA、Flash、SRAM、Sensor樣片、ADC芯片、按鍵、串口、USB接口及一些其它的外設(shè)等組成。在PC1機(jī)上安裝Altera的FPGA軟件 QuartusⅡ，上位機(jī) PC1通過 Altera usb blaster下載線與驗(yàn)證平臺(tái)上FPGA的JTAG接口相連，這樣就實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)上QuartusⅡ軟件與驗(yàn)證板上FPGA之間的連接，使用QuartusⅡ軟件通過Altera usb blaster下載線把完全編譯好的工程下載到驗(yàn)證板上。在PC2上TotalRecall也通過JTAG與FPGA板相連，可為FPGA驗(yàn)證系統(tǒng)提供100%的可視性。

圖6 驗(yàn)證平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)

驗(yàn)證可以分為模塊級(jí)驗(yàn)證、系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證兩個(gè)層次，在進(jìn)行設(shè)計(jì)原型驗(yàn)證時(shí)，首先應(yīng)該保證驗(yàn)證平臺(tái)各個(gè)模塊的正確性，對(duì)各模塊進(jìn)行驗(yàn)證［7］。下面以驗(yàn)證系統(tǒng)中的USB控制器模塊為例，說明結(jié)合TotalRecall技術(shù)FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)模塊的驗(yàn)證。根據(jù)USB2.0協(xié)議，USB鼠標(biāo)接口主要有四個(gè)信號(hào)線:電源、地、D+及D-，且它具有兩種通信方式，一種是主機(jī)到設(shè)備的通信，另一種是設(shè)備到主機(jī)的通信。利用USB鼠標(biāo)接口的D+和D-信號(hào)就可以對(duì)其進(jìn)行通信驗(yàn)證。具體驗(yàn)證過程如下:首先，我們?cè)谏衔粰C(jī)PC1上用VC［8］開發(fā)一個(gè)USB調(diào)試助手，由于FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)提供了USB接口的外設(shè)，所以可以直接利用此外設(shè)來接受USB調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)指令，并把這些數(shù)據(jù)指令傳送到USB控制器。同時(shí)也可以接受USB控制器模塊反應(yīng)的數(shù)據(jù)指令，并把它傳送到上位機(jī)PC1上的USB調(diào)試助手上。我們可以把接受到的反應(yīng)數(shù)據(jù)指令與期望的值做個(gè)比較，看兩者是否一致，從而來驗(yàn)證USB接口控制器模塊的正確性。當(dāng)接受的響應(yīng)數(shù)據(jù)與期望的值不同時(shí)，即發(fā)生了故障，可以利用TotalRecall技術(shù)復(fù)制USB控制器功能塊。如圖7所示TotalRecall技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證系統(tǒng)中的功能塊，TotalRecall技術(shù)能夠生成局部Testbench，專門用于測(cè)試掛起功能塊。此時(shí)，激勵(lì)存儲(chǔ)緩沖器內(nèi)容及復(fù)制的邏輯內(nèi)容由FPGA器件的JTAG端口導(dǎo)出，并用于軟件仿真器。TotalRecall技術(shù)可以定位到故障前數(shù)百甚至上千個(gè)周期前的狀態(tài)值，用來對(duì)軟件仿真器進(jìn)行初始化設(shè)置。這樣，USB控制器功能塊就能夠在實(shí)時(shí)硬件速度下提供100%的可視性，并且還能在熟悉的軟件仿真環(huán)境下跟蹤故障，從而快速的定位及解決故障，使USB控制器功能塊得到完全的驗(yàn)證。

圖7 TotalRecall技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)功能塊

6 結(jié)束語

基于FPGA原型驗(yàn)證對(duì)于ASIC驗(yàn)證是一個(gè)非常實(shí)用的方法，結(jié)合TotalRecall技術(shù)的FPGA原型驗(yàn)證方法可以有效解決傳統(tǒng)FPGA原型驗(yàn)證可視性差的弊端。該方法不僅能夠快速檢測(cè)、調(diào)試并解決深藏的偶發(fā)及間發(fā)故障，這些故障有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在實(shí)時(shí)激勵(lì)的情況下或由軟硬件之間復(fù)雜的非確定性互動(dòng)引起，而且還能提供我們?cè)谑煜さ能浖抡姝h(huán)境中跟蹤故障。從而大大提高了芯片驗(yàn)證的效率，縮短芯片開發(fā)的時(shí)間。

［1］馬鳳翔，孫義和.SoC原型驗(yàn)證技術(shù)的研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2005.3

［2］姚遠(yuǎn)，張曉琳，張展.基于FPGA的可層疊組合式SoC原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009，9

［3］濮津，林孝康.內(nèi)嵌ARM9E內(nèi)核系統(tǒng)級(jí)芯片的原型驗(yàn)證方法［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005.

［4］王誠，蔡海寧，吳繼華.Altera FPFA/CPLD設(shè)計(jì)(基礎(chǔ)篇)［M］.人民郵電出版社，2011.

［5］章瑋.原型驗(yàn)證過程中的ASIC到FPGA的代碼轉(zhuǎn)換［J］.今日電子，2006，(7).

［6］楊安生，黃世震.基于ARM SoC的FPGA原型驗(yàn)證［J］.電子器件，2011.3

［7］黃麗.百萬門級(jí)專用集成電路的FPGA驗(yàn)證平臺(tái)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2007.

［8］潘愛明，王國印.Visual C++技術(shù)內(nèi)幕［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.