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利用FPGA實(shí)現(xiàn)原型板原理圖的驗(yàn)證

Kapil Batra 意法半導(dǎo)體 Pvt. Ltd.

摘要： 首次流片成功取決于整個(gè)系統(tǒng)硬件和相關(guān)軟件的驗(yàn)證，有些公司提供的快速原型生成平臺(tái)具有許多調(diào)試功能，但這些平臺(tái)的價(jià)格非常高，因此最流行的做法是根據(jù)DUT和具體應(yīng)用設(shè)計(jì)復(fù)合FPGA板，驗(yàn)證這些板的原理圖通常是很麻煩的，本文提出一種利用FPGA實(shí)現(xiàn)原型板原理圖驗(yàn)證的新方法。

關(guān)鍵詞： FPGA DUT PCB Verilog

Abstract：

Key words :

首次流片成功取決于整個(gè)系統(tǒng)硬件和相關(guān)軟件的驗(yàn)證，有些公司提供的快速原型生成平臺(tái)具有許多調(diào)試功能，但這些平臺(tái)的價(jià)格非常高，因此最流行的做法是根據(jù)DUT和具體應(yīng)用設(shè)計(jì)復(fù)合FPGA板，驗(yàn)證這些板的原理圖通常是很麻煩的，本文提出一種利用FPGA實(shí)現(xiàn)原型板原理圖驗(yàn)證的新方法。

圖1：DUT由x86處理器、主橋(Host Bridge)、
SDRAM控制器和PCI橋組成。

由于價(jià)格競爭越來越激烈，首次流片成功或只需少量的修改變得越來越重要。為了達(dá)到這一目標(biāo)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)(即硬件和相關(guān)軟件)的驗(yàn)證成為重中之重。業(yè)界也涌現(xiàn) 了許多策略來幫助設(shè)計(jì)師完成RTL上的軟件運(yùn)行。這些策略提供了在最終硬件還在醞釀之時(shí)就開發(fā)軟件的一種途徑。這種措施也許還不夠，原因還有兩個(gè)：一是仿真系統(tǒng)可能與實(shí)際系統(tǒng)有較大的區(qū)別，二是系統(tǒng)運(yùn)行速度非常慢。因此可以考慮先將完整的設(shè)計(jì)映射到FPGA中，再運(yùn)行目標(biāo)應(yīng)用程序。這樣做可能達(dá)不到最終硅片的常規(guī)指標(biāo)，但可以測試整個(gè)硬件的功能，系統(tǒng)能夠得到全面的驗(yàn)證，其中一些測試案例可能是在仿真中根本無法完成的。另外，可用于演示的完整系統(tǒng)原型在硅片成功之前就可以很好地引起客戶的興趣。

有些公司提供的快速原型生成平臺(tái)具有許多調(diào)試功能。這些電路板平臺(tái)具有可編程的互連，可以將FPGA插接在上面，并將DUT(被測設(shè)計(jì))映射進(jìn)這些FPGA中。但這些平臺(tái)的價(jià)格非常高。因此最流行的做法還是根據(jù)DUT和具體應(yīng)用設(shè)計(jì)復(fù)合FPGA板。當(dāng)然，這些板同樣也能用于測試目標(biāo)應(yīng)用中的最終硅片。

驗(yàn) 證這些板的原理圖通常是很麻煩的，因?yàn)樵韴D中一些小錯(cuò)誤會(huì)嚴(yán)重影響到設(shè)計(jì)進(jìn)度。原理圖驗(yàn)證工作是人工完成的，因此錯(cuò)誤也就在所難免。如果能夠復(fù)用DUT 驗(yàn)證環(huán)境驗(yàn)證電路板原理圖，那么原理圖驗(yàn)證就可以派上用場了。本文將討論如何通過編寫少量腳本和修改DUT驗(yàn)證環(huán)境達(dá)到這一目的。

方法簡介

基本想法是設(shè)法對(duì)原理圖進(jìn)行仿真。這了做到這一點(diǎn)，先將原理圖網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成Verilog網(wǎng)表。電路板上安裝的不同元件(如FPGA、處理器、PCI卡、 SDRAM等)要么用RTL代替，要么用RTL驗(yàn)證過程中使用的行為模型替代。值得注意的是，我們已假設(shè)整個(gè)設(shè)計(jì)的Verilog/VHDL代碼是現(xiàn)成的。至于電路板上需要用于測試DUT的處理器、SDRAM、PCI器件等其它元件，也假設(shè)已經(jīng)存在相應(yīng)的BFM(總線功能模型)/模型。由于這一階段是在功能驗(yàn)證之后，而這些元件需要用來測試DUT，并模擬整個(gè)系統(tǒng)，因此它們的等效行為模型應(yīng)該在功能驗(yàn)證中已經(jīng)得到使用，現(xiàn)在只是重復(fù)使用罷了，即經(jīng)過少許的努力就能使用相同的環(huán)境和測試案例。

上述概念經(jīng)過拓展就可以驗(yàn)證硅片生成板的原理圖，基本的假設(shè)是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)擁有硅片的 HDL描述。這才是要點(diǎn)所在。對(duì)于FPGA板，可以通過某種變通的方法配置FPGA引腳來克服由于原理圖中的錯(cuò)誤連接導(dǎo)致的問題，即設(shè)計(jì)師可以管理并解決這些錯(cuò)誤。但對(duì)于準(zhǔn)備用來測試最終硅片的板子來說幾乎是不可能的。

生成Verilog網(wǎng)表

圖2：包含x86處理器芯片、2個(gè)FPGA、
SDRAM和1個(gè)PCI槽道的原型板。

可以用好幾種原理圖輸入工具生成Verilog網(wǎng)表。基于以下幾種限制原因，這種網(wǎng)表實(shí)際上是不能使用的：

1．它將板上的每個(gè)元件都看作是一個(gè)模塊，因此生成的Verilog文件中包含所有元件的實(shí)例，如FPGA、電容、上拉電阻或晶振，而不管這些元件能否在Verilog中建模。其中有些元件(如串接電阻、去耦電容)可以簡單地從網(wǎng)表中刪除。

2. 原理圖中的總線通常被連接到符號(hào)上的一個(gè)個(gè)引腳，而在Verilog模塊中總線可能只有一個(gè)端口。因此可能沒有一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如在Verilog模塊中一個(gè)四位輸出地址總線將被聲明為：output [3:0] Address;但原理圖中所有這四個(gè)引腳是被獨(dú)立聲明的。這樣會(huì)導(dǎo)致原理圖中使用的符號(hào)的引腳輸出與Verilog模塊中相應(yīng)符號(hào)的可用功能不兼容。

因此，設(shè)計(jì)師需要編寫一個(gè)簡單的腳本，要么修改這個(gè)Verilog網(wǎng)表，要么根據(jù)原理圖輸入工具支持的其它格式創(chuàng)建一個(gè)新的網(wǎng)表。目的是刪除電阻、電容、電感等模擬元件，或用等效的Verilog代碼替換它們。

為了更好地實(shí)現(xiàn)這一目的，可以利用對(duì)模擬元件的命名慣例，或?qū)⑺鼈兌x在一個(gè)文件中作為腳本的輸入。例如，電阻可以被命名為R1、R23等，不遵循這個(gè)命名慣例的元件可以被定義在約束文件中，這樣腳本就可以將它們關(guān)聯(lián)到等效模型，或假定短路將它們從網(wǎng)表中去除。

一般來說，針對(duì)電路板上的不同元件可以采用以下一些慣例：

1．元件的大多數(shù)電源引腳可以被忽略。

2．通常電容都是用作去耦的，可以被簡單的忽略掉，因?yàn)檫@樣做并不會(huì)影響即將被仿真的其它數(shù)字元件之間的互連關(guān)系。

3．電感也可以忽略，在仿真時(shí)用短路代替。

4．電阻可以用Verilog的上拉/下拉或簡單的線按需要替換。

5．晶振可以用Verilog庫中提供的時(shí)鐘模塊替換。

可以在約束文件中定義某些特殊情況，并作為腳本的輸入?？梢詾閂erilog模塊編寫Wrappers以克服總線聲明問題。這種頂層Verilog網(wǎng)表可以代替DUT功能驗(yàn)證中早已使用的頂層Verilog文件，并用于驗(yàn)證環(huán)境中。

FPGA原型板網(wǎng)表的仿真

至此頂層Verilog文件中包含了原型板上除工具刪除的元件外的所有元件。設(shè)計(jì)師可以復(fù)用DUT功能驗(yàn)證使用的已有仿真環(huán)境。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，可以復(fù)用相同的測試向量和驗(yàn)證環(huán)境驗(yàn)證原理圖。

任何驗(yàn)證環(huán)境的基本原理都是一樣的，即為DUT提供某種形式的測試向量，然后對(duì)測試結(jié)果與期望值進(jìn)行比較。根據(jù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性有多種達(dá)成的方式。通過下面這個(gè) 非常簡單的例子就很好理解了。例子是一個(gè)基于x86處理器的SOC。為了簡單起見，我們只考慮圖1所示SOC中的少量重要元件。DUT由x86處理器、主橋(Host Bridge)、SDRAM控制器和PCI橋組成。在驗(yàn)證環(huán)境中，為了提高仿真速度，可以把x86處理器看作是一個(gè)BFM，同時(shí)提供某種PCI從模型。簡單地說，x86 BFM具有某種形式的讀/寫命令，能產(chǎn)生總線周期，因此設(shè)計(jì)可以運(yùn)行起來。

圖3：Verilog模塊創(chuàng)建wrapper
以匹配元件的引腳。

如圖2所示，主橋和SDRAM控制器被映射進(jìn)FPGA1，PCI橋被映射時(shí)FPGA2。由腳本產(chǎn)生的頂層Verilog文件包含如圖2所示的所有元件。至此就可以在驗(yàn)證環(huán)境中方便地使用這個(gè)頂層Verilog文件，并附于相同的驗(yàn)證測試向量。要注意的是還需要為各個(gè)Verilog模塊創(chuàng)建wrapper以匹配元件的引腳。對(duì)于SDRAM和PCI槽道來說，可以使用與RTL驗(yàn)證環(huán)境中使用的相同模型(即SDRAM模型和PCI主/從模型)。參考圖3，將 FPGA1作為案例進(jìn)行說明。

由于只對(duì)環(huán)境作了少量修改，如在編譯列表中增加很少的Verilog文件(wrapper模型)，用新創(chuàng)建的文件替換頂層文件，因此可以對(duì)原理圖列表實(shí)施驗(yàn)證。這些事情可以通過簡單的perl或shell腳本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理，整個(gè)任務(wù)將減少到僅指定一些特殊選項(xiàng)，同時(shí)從命令行運(yùn)行仿真。

如果有任何錯(cuò)誤的連接，或某些連接被遺忘，那么仿真結(jié)果就會(huì)有相應(yīng)的提示。這種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)與模擬元件的連接的部分測試，因?yàn)檫@部分元件有的從網(wǎng)表中刪除了，有的被等效行為模型所代替。然而，有些錯(cuò)誤還是可以被檢出的。

硅片生成板網(wǎng)表的仿真

上述方法同樣可以用來仿真設(shè)計(jì)用于測試最終硅片的電路板的網(wǎng)表。這種方法更適用于對(duì)這些板的驗(yàn)證，因?yàn)檎Ｇ闆r下制造出來的許多板其芯片的并行測試都是可以完成的。此外，通過某種途徑配置FPGA引腳可以消除基于FPGA的板上的錯(cuò)誤。下面繼續(xù)以上文的例子說明如何將同一概念應(yīng)用到硅片生成板上。

如圖1所示，硅片等效于DUT。根據(jù)相同的流程創(chuàng)建一個(gè)Verilog網(wǎng)表，這個(gè)網(wǎng)表將DUT看作是板上的一個(gè)芯片和其它外圍設(shè)備。這是在驗(yàn)證環(huán)境中必須使用的頂層文件。現(xiàn)在我們已經(jīng)有了DUT的完整Verilog描述，因此只需要?jiǎng)?chuàng)建圖4所示的Verilog wrapper，讓引腳輸出與電路板上的芯片相匹配。

綜上所述，這個(gè)網(wǎng)表是可以利用以前使用的同一測試向量進(jìn)行操作的。

本文小結(jié)

這種方法已經(jīng)過測試，目前正用于原理圖的驗(yàn)證。該方法為原理圖驗(yàn)證增加了新的方案。原型/生成板的原理圖的驗(yàn)證和錯(cuò)誤檢測可以在極易產(chǎn)生嚴(yán)重問題并影響設(shè)計(jì) 周期的早期階段進(jìn)行。另外，驗(yàn)證無需額外的開銷，因?yàn)檫@種方法基于的是業(yè)界常說的‘復(fù)用’原理，在本案例中復(fù)用的是測試向量和驗(yàn)證環(huán)境。