FPGA在ASIC设计流程中的应用

收稿日期 : 2001- 10- 18
第 6期

谢长生 , 徐
睿 : FPGA 在 ASIC 设计流程中的应用
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测试向量生成、图形生成 , 其后是掩膜、制造、封 装、测试。在 ASIC 设计流程中, 仿真阶段所花费 的时间是最长的 , 然而由于有时仿真向量大、需要 模拟电路工作时间长 , 仿真软件的效率、计算机硬 件资源的有限, 通过软件进行仿真还是有限制的。 例如 , 笔者所做的一个 CDMA ( 码分多址) 信号处 理器, 仅仿真用户所要求仿真时序的 1/ 20 时 , 仿 真数据就已高达一百多兆 , 仿真时间长达 10 小时 , 最后采用化整为零、功能分块的方法将电路基本功 能仿真了一遍, 然而不能排除电路、功能串起来之 后电路没 有问题, 更不 能排除电路潜 在的 Bug 存 在。实际芯片工作时 , 电路有时会进入到预想不到 的状态, 这一点软件仿真并不能周详地考虑到。 因此, 在传统的 ASIC 设计流程中, 如果能够尽 早地查出电路功能和电路时序中的错误特别是潜在 的 Bug, 那么将对加快设计、 降低成本带来益处。在 此我们引进了仿 ASIC 的 FPGA 在系统验证 ( 以下简 称 FPGA 在系统验证) 。 FPGA 在系统验证带来的益处有: 逻辑功能全面验证 部分电路时序验证 , 潜在的 Bug 发现 逻辑综合过程验证 加快设计流程 , 减少重新制版几率, 降低成本 加快系统厂商的系统产品开发 方便系统厂商对逻辑功能全面确认
ASIC ( 专用集成 电路 ) 器件 具有设 计自由 度 大、芯片中没有 无用的单元或 晶体管、芯片 面积 小、性能高、大批量生产时成本低的特点, 被大量 地应用于电子工业各领域。但传统的 ASIC 设计存 在着开发周期长、投片成本大 , 特别是在一次投片 不成功情况下需要重新改版的情况。FPGA ( 现场 可编程逻辑阵列 ) 是目前大量运用于电子系统设计 中的器件 , 该器件是在 ASIC 器件的基础上发展起 来的, 具有 ASIC 器件的高密度、高性能和可编程 器件灵活编程的特点。当今 , FPGA 已成为半导体 产品市场上发展最快的领域之一。 FPGA 器件的应用可以使设计工程师快速实现
下面简要说明一下 FPGA 在系统验证板的设计 过程。 首先 输 出 ASIC 门 级 网 表 , VHDL 格 式 或 Verilog 格式 , 在 Exemplar 的 Leonardo 综合软件中读 入 , 将其转换成所选 FPGA 类型的 EDIF 网表, 在 FPGA 设计软件 Xilinx 的 Foundation 中调入, 经过适 配 , 布 线 构 造 出 FPGA 的 上 电 配 置 数 据 bit 或 mcs, 通过编程器对 EEPROM 进行编程。同时 , 进 行 FPGA 在系 统验证板的原理设计 ( 可采用 Protel 软件 ) , 完成后进行印制板设计 , 制作印制板。进
板在实际硬件环境中的验证可以弥补 ASIC 设计流程中仿真的不足 , 通过该验证也可以加快 ASIC 设计且降低由于逻辑问题所造成 ASIC 开发中的成本损耗。 关键词: FPGA 应用; ASIC 设计; 在系统验证 文章编号: 1008 0147 ( 2001) 06 50 03 中图分类号 : TN431 2 文献标识码 : A
FPGA 由一个逻辑块阵列构成 , 其四周环绕着 I/ O 块 , 借助于可编程方式把这些微小的逻辑块连 接起来以实现复杂的逻辑运算。一般的 FPGA 都具 有 成 千 上 万 个 逻 辑 块 以及 一 定 数 量 的 触 发 器。 FPGA 的逻辑块有粗粒和细粒之分。粗粒结构的逻 辑块较大, 含有两个以上的查询表和触发器, 这种 FPGA 器件比较适合于高性能应用。细粒结构的逻 辑块相对较小, 含有一个 2 输出功能块、一个 4 至 1 多路器和一个触发器。 FPGA 具有时钟功能适于逻辑合成设计。高密 度的 FPGA 采用 SRAM 或者反熔丝编程工艺 , 后者 集成了一次可编程 ( OTP) 技术, 因此其内部效率 较高。 我们在系统验证板所采用的 FPGA 是 Xilinx 公 司的 Virtex 系列 2 5V 现场可编 程逻辑器件, 该系 列器件采用 0 22 m 基于 SRAM 的工艺, 有 4 个专 用的时钟 输入, 最 高系统时 钟频 率可达 200MHz, 等效系 统门 数 可 从 5 万 至 100 万 门 , 内 嵌 Block RAM, 在我们完成的两块 FPGA 在系统验证板中分 别采用了 XCV300 和 XCV150 。
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进一步设想
尽管做一块如上的 FPGA 在系统验证板所花费
的时间及成本相对于整个 ASIC 开发所花费的而言 是相当少的, 但随着需要验证的 ASIC 项目的增多, 其费用也是可观的。再说 FPGA 的特点就是灵活的 可编程特性 , 所以项目之间共享 FPGA 在系统验证 板的设想是成立的。方法之一就是将一块 FPGA 在 系统验证板分成两部分设计 , 一部分设计成共享的 对外 采 用 通 用 接 口, 其 上 包 括 FPGA、 CPLD、 EPROM 、电源转换等 , 其通用的 程度仅受 门数限 制 , 另一块是根据每个 ASIC 电路所设计的接口部 分 , 通过这种设计方法, 只要做一块通用的 FPGA 在系统验证板, 以后所要花费的成本几乎可以忽略 不计, 从工艺转换到针对某个项目的 FPGA 在系统 验证板完成所花费的有效时间估计只需几个小时。
compensation to the simulation of ASIC design flow to verify in real running environment by using FPGA Verify in System board. It can also reduce the cost of ASIC development due to logical problems. Keywords: Applicat ion of FPGA; ASIC design; Verify in System 和修改硬件的功能 , 以极快的时间推出系统原型。
3 FPGA 在系统验证在 ASIC 开发流程 中的位置
通常 ASIC 的开发流程如图 1 所示。
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FPGA 器件介绍
图 1 典型的 ASIC 开发流程
FPGA 在系统验证就是将经过逻辑设计和前仿 真及 QTV 分析后的门级网表通过工艺重新 映射转 成 FPGA 网表 , 做成相应的 FPGA 验证板 , 通过规 定的接口在系统硬件环境中进行验证, 通过在系统 的验证可以仿真电路各种情况 , 便于发现潜在的问 题。在系统验证通过后, 就可以进行下一步版图设 计。 ( 见图 2)
第 29 卷第 6 期 Vol. 29, No. 6
微电子技术 MICROELECTRONIC TECHNOLOGY
总第 142 期 2001 年 12 月
产品与应用
FPGA 在 ASIC 设计流程中的应用
谢长生, 徐
( 信息产业部第 58 研究所 , 江苏
睿
无锡 214035)
摘 要:
本文介绍了 FPGA 器件在 ASIC 芯片开发中的应用, 通过仿 ASIC 的 FPGA 在系统验证
图 4 FPGA 在系统验证板的原理图
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引言
同时由于 FPGA 的灵活性 , 使其产品极易适应各种 不同的应用领域, 极易由用户自行配置, 使其在维 持硬件原有水平的同时 , 能够根据实际的需要或者 变化进行调整。目前 FPGA 已大量应用于通讯、计 算机、视听、医疗电 子等设备 中。据 Dataquest 目 前发布的一份预测报告显示 , 到 2003 年, 世界用 户专用器件市场将出现 ASIC、FPGA、 CPLD 三足鼎 立、龙争虎斗之势。现今 FPGA 的门数已高达数百 万系 统门 , FPGA 的主 要供 应商 有 Xilinx 、 Altera、 Actel 和 Cypress 等。 FPGA 器件灵活的可编程特性能否在 ASIC 开发 流程中得到应用呢 ? 答案是肯定的。 通常的 ASIC 开发流程是逻辑设计、前仿真及 QTV 分析、版图设计、后仿真及 LVS、 DRC、ERC、
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FPGA 在系统验证板的设计
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微
电
子
技
术
行 FPGA 在 系统验 证板的 焊接装 配, 形 成最终 的 FPGA 在系统验证板, 然后将该板通过接口插入到
系统中 , 就可以进行验证了。( 见图 3) 图 4 给出 FPGA 在系统验证板的原理图。
图 2 FPGA 在系统验证在 ASIC 开发流程中的位置
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图 3 FPGA 在系 统验证板的设计制造过程
结束语
以上的 FPGA 上系统验证方法已经参与过我们
两个 ASIC 电路的设计 , 取得了很好的效果。就目 前看来 , 无论是设计方还是用户方都对这个验证方 法有着兴趣和要求。 参考文献:
[ 1] Xilinx 现场可编程门阵列器件手册 October 6, 2000. [ 2] 电子产品世界 2001 年 6 月
The Application of FPGA Devices in ASIC Design
XIE Chang- sheng, XU Rui ( Wuxi Microelectronics Institute, Wuxi Jiangsu, 214035, China)
Abstract:
The application of FPGA devices in ASIC design is introduced in the paper. It can make