用于大容量FPGA設(shè)計的EDA工具集成與遠(yuǎn)程調(diào)用

張海平，萬 清

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

當(dāng)前，中國所采用的FPGA芯片基本依賴于進(jìn)口，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的FPGA芯片具有重要意義。FPGA芯片研發(fā)必須使用EDA工具。EDA（Electronic Design Automation）是在CAD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng)，是指以計算機為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行集成電路芯片產(chǎn)品的自動設(shè)計。EDA集成開發(fā)環(huán)境IDE（Integrated Development Environment）是指根據(jù)集成電路芯片設(shè)計流程，將設(shè)計流程中各個階段所需要的EDA工具軟件集成在一個硬件平臺上，進(jìn)行項目設(shè)計開發(fā)的軟硬件工作環(huán)境。在此環(huán)境中，項目的設(shè)計數(shù)據(jù)通過文件方式在各個EDA工具之間流轉(zhuǎn)，直到設(shè)計全過程結(jié)束。集成電路芯片EDA設(shè)計工具很多，其中按市場所占份額排主要有Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。這三家都是ASIC設(shè)計領(lǐng)域相當(dāng)有名的軟件供應(yīng)商。集成電路芯片EDA設(shè)計工具包含了集成電路芯片開發(fā)的各個領(lǐng)域：前端設(shè)計、后端設(shè)計和設(shè)計驗證。前端設(shè)計工具將完成從芯片邏輯部分的概念化設(shè)計到芯片邏輯門級表示的工作。后端設(shè)計描述了如何使設(shè)計結(jié)構(gòu)在芯片上物理實現(xiàn)，關(guān)鍵是芯片庫單元的布局和布線。設(shè)計驗證將保證芯片滿足功能、時序、功率和其他指標(biāo)的要求。

21世紀(jì)EDA技術(shù)的發(fā)展日新月異。中國先后在7個國家產(chǎn)業(yè)化基地建立了EDA技術(shù)與服務(wù)平臺。從功能上看，這些EDA平臺上安裝有當(dāng)前所有主流EDA軟件和測試工具，并配備有相應(yīng)的設(shè)計環(huán)境，以租用的方式提供給企業(yè)使用。然而，目前能夠以網(wǎng)絡(luò)平臺為載體向用戶提供在線IC設(shè)計的平臺還很少，僅適用于進(jìn)駐的企業(yè)，對于遠(yuǎn)程訪問的企業(yè)則無能為力。

本文FPGA開發(fā)平臺集成了FPGA芯片設(shè)計流程中各個階段所需要的Cadence、Synopsys、Mentor等公司的各種EDA工具，用于研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的千萬門級FPGA課題產(chǎn)品。在自主千萬門級FPGA芯片設(shè)計課題中有海外設(shè)計團(tuán)隊參與，為了不受地域限制來使用開發(fā)平臺上的EDA工具，又不影響數(shù)據(jù)安全，使用SGD軟件是目前最佳的方法。SGD（Secure Global Desktop）軟件基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程仿真計算技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的在線虛擬集成電路芯片設(shè)計，用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器即可使用FPGA開發(fā)平臺上集成的EDA工具和資源。在數(shù)據(jù)安全方面，由于在FPGA開發(fā)平臺服務(wù)器和用戶終端之間傳輸?shù)膬H僅是鼠標(biāo)鍵盤的輸入和屏幕的變化量，用戶終端只負(fù)責(zé)交互，所有計算和存儲都在平臺服務(wù)器端完成，所以能夠保證設(shè)計數(shù)據(jù)的安全。

2 EDA工具集成和SGD軟件部署總體框架

EDA工具集成和SGD軟件部署總體框架如圖1所示。

圖1 EDA工具集成和SGD軟件部署總體框架

服務(wù)器端的功能由SGD Server陣列、SGD Gateway Server、管理服務(wù)器以及多臺EDA Tool Server共同承擔(dān)。用戶通過互聯(lián)網(wǎng)與SGD Gateway Server相連。管理服務(wù)器提供用戶認(rèn)證、許可證管理、版本控制和缺陷追蹤等功能。EDA Tool Server用于各類EDA工具的安裝和運行。 SGD Server陣列為用戶訪問資源和調(diào)用工具提供界面和負(fù)載均衡。SGD Gateway Server提供安全加密訪問通道。在此架構(gòu)中，用戶端的運行環(huán)境一般為Windows系列，而服務(wù)器端的運行環(huán)境包括了Linux、Solaris、Windows Server等多種操作系統(tǒng)。

3 EDA工具集成

3.1 NIS服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)（NIS）利用客戶機/服務(wù)器模式和遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC）接口在主機之間進(jìn)行通訊。網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)由服務(wù)器、客戶機程序庫和一些管理工具組成。在FPGA開發(fā)平臺中，用戶一般需要在多臺Linux機器上工作，每臺機器上用相同的用戶名、屬于相同的組、使用相同的密碼。建立NIS服務(wù)器，將這些需要共享的信息存放在NIS服務(wù)器上統(tǒng)一管理，其他機器都從NIS服務(wù)器獲得信息，一旦要更改某個用戶的信息，只需要在NIS服務(wù)器上進(jìn)行更改， 其他機器就自動收到更改后的信息。完成整個NIS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的建設(shè)之后，就能根據(jù)設(shè)計項目對設(shè)計人員進(jìn)行分組管理，根據(jù)所做項目為其配置相應(yīng)的EDA使用環(huán)境。

3.2 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）

網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)通常和網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)一起使用。NFS可用于不同類型計算機和操作系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行文件遠(yuǎn)程訪問和共享。在FPGA開發(fā)平臺中，配置AutoFS Map文件來集中管理NIS域內(nèi)所有的NFS共享目錄。AutoFS的工作流程是，當(dāng)客戶端配置好AutoFS Map文件，在客戶端如果有NFS目錄讀寫請求，系統(tǒng)進(jìn)程automountd就自動把NFS服務(wù)器的資源掛接到客戶機上。所有機器通過NFS共用tools目錄，不需要在每臺機器上安裝EDA工具軟件，使得整個EDA設(shè)計環(huán)境進(jìn)行集中和統(tǒng)一管理。所有機器通過NFS共用home目錄，用戶登錄到NIS域中的任一臺機器，自己的home目錄內(nèi)容都相同。

3.3 Modules軟件

隨著EDA工具的更新，系統(tǒng)中一定會存在同一工具的不同版本。版本不同，其路徑、庫和license等環(huán)境變量都有可能不同，如果用戶在使用中臨時修改環(huán)境變量會比較困難。FPGA開發(fā)平臺用Modules軟件進(jìn)行EDA工具的環(huán)境變量管理。modules是一系列腳本的集合，簡化了shell的初始化，允許用戶在工作過程中很容易地修改環(huán)境變量，減少其維護(hù)難度，提供了一種動態(tài)修改應(yīng)用環(huán)境的機制。modules使用以下方式工作，$ module avail列出可以加載的工具,$ module load加載工具，$ module list列出已加載的工具，$ module unload卸載工具。在腳本中還可以設(shè)置工具之間的依賴或沖突關(guān)系。

3.4 版本控制和缺陷追蹤軟件

在整個FPGA開發(fā)流程中，每個設(shè)計環(huán)節(jié)都需要團(tuán)隊來完成。在多團(tuán)隊緊密合作開發(fā)流程中，版本控制和缺陷追蹤等管理軟件是必不可少的。在FPGA開發(fā)平臺上，安裝了SVN、SOS版本管理軟件和bugzilla缺陷追蹤軟件。SVN是開源軟件，適合芯片設(shè)計流程中的文檔版本管理。SOS是ClioSoft公司開發(fā)的集成電路設(shè)計數(shù)據(jù)版本控制軟件，支持Cadence公司virtuoso平臺的DFII。 開源的Bugzilla是一個搜集缺陷的數(shù)據(jù)庫，它用于記錄和管理產(chǎn)品缺陷從發(fā)現(xiàn)到修復(fù)的全流程。

3.5 EDA工具軟件

根據(jù)EDA工具對操作系統(tǒng)版本的要求，分別在兩臺tool server上安裝redhat enterprise 4 update 8和redhat enterprise 5 update 8兩個版本的操作系統(tǒng)。集成電路芯片設(shè)計集成環(huán)境需要滿足foundary廠家PDK庫的要求。PDK（process design kit）是溝通IC設(shè)計公司、代工廠與EDA廠商的橋梁。PDK用代工廠的語言定義了一套反映foundary工藝的文檔資料，包含了反映制造工藝的基本數(shù)據(jù)集。根據(jù)PDK對EDA工具及版本的要求，在兩臺tool server上按照FPGA芯片設(shè)計流程，集成了設(shè)計流程中各個階段所需要的Cadence、Synopsys、Mentor等公司的EDA工具。

4 SGD軟件部署

SGD軟件部署分為兩個部分，SGD網(wǎng)關(guān)和由多臺SGD服務(wù)器組成的陣列。SGD網(wǎng)關(guān)是一種代理服務(wù)器，部署在防火墻隔離區(qū)（DMZ）。在客戶端與陣列中的SGD服務(wù)器建立連接之前，通過SGD網(wǎng)關(guān)先在DMZ中對所有連接進(jìn)行驗證。SGD服務(wù)器陣列和其他需要控制訪問權(quán)限的應(yīng)用系統(tǒng)放置SGD網(wǎng)關(guān)后側(cè)，位于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中。SGD服務(wù)器陣列由多臺SGD服務(wù)器組成一個負(fù)載均衡和故障轉(zhuǎn)移組，與管理服務(wù)器和tool server連接。

SGD利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)構(gòu)建一個可兼容異構(gòu)系統(tǒng)和工具的中間接口，是一種基于圖形模式的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，將遠(yuǎn)程主機桌面和應(yīng)用程序完全地顯示到客戶端，使用戶能夠直觀地對服務(wù)端進(jìn)行操作。在FPGA開發(fā)平臺中，EDA工具集成環(huán)境中的各種應(yīng)用，如linux系統(tǒng)的EDA工具和windows系統(tǒng)的各種資源等應(yīng)用程序，都可以通過SGD遠(yuǎn)程顯示，遠(yuǎn)程用戶用IE瀏覽器或Firefox瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)就能夠使用FPGA開發(fā)平臺上的各種應(yīng)用軟件。

5 FPGA開發(fā)平臺應(yīng)用

本文介紹的大容量FPGA設(shè)計平臺已應(yīng)用于全自主千萬門級FPGA芯片設(shè)計。30多位設(shè)計工程師使用該平臺參與全自主千萬門級FPGA芯片設(shè)計。團(tuán)隊中在異地工作的工程師使用SGD遠(yuǎn)程登錄到FPGA設(shè)計平臺共同參與設(shè)計工作。設(shè)計團(tuán)隊采用中芯國際SMIC 40 nm CMOS設(shè)計技術(shù)，用正向設(shè)計的方法，設(shè)計基于SRAM配置的面向高性能通用邏輯與信號處理的全自主千萬門級FPGA器件。器件含有數(shù)字ASCI電路、全定制電路、數(shù)?；旌想娐芬约癿emory complier等。

6 結(jié)束語

本文介紹了FPGA開發(fā)平臺中EDA工具集成的各種技術(shù)，以及部署SGD軟件實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問的方法。FPGA開發(fā)平臺是為面向高性能通用邏輯與信號處理的自主千萬門級FPGA課題產(chǎn)品研發(fā)建立的設(shè)計平臺。在此平臺上設(shè)計團(tuán)隊不受地域限制，通過瀏覽器即可遠(yuǎn)程使用平臺集成的各種EDA工具。在FPGA開發(fā)平臺上，已經(jīng)完成第一個全自主千萬門級FPGA的第一次MPW芯片設(shè)計，打通了數(shù)字ASIC設(shè)計、定制設(shè)計、數(shù)?；旌显O(shè)計全流程。

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