基于FPGA的原型能為您做些什么

Freescale構(gòu)建了一個(gè)多芯片系統(tǒng)的原型，其中包括一個(gè)雙核MXC2基帶處理器和一個(gè)RF收發(fā)器芯片的數(shù)字部分?；鶐幚砥鲀?nèi)置一個(gè)用于調(diào)制解調(diào)器處理的Freescale StarCore DSP內(nèi)核、一個(gè)用于用戶應(yīng)用處理的ARM 926內(nèi)核，以及 60多個(gè)外設(shè)。

Synopsys HAPS-54原型板用來(lái)實(shí)現(xiàn)原型（如圖3所示）。該基帶處理器有500多萬(wàn)個(gè)ASIC門，Scott的團(tuán)隊(duì)使用Synopsys Certify工具將其在原型板上劃分給3個(gè)賽靈思Virtex-5 FPGA，同時(shí)把數(shù)字RF設(shè)計(jì)布置在第四個(gè)FPGA中。Freescale 決定不構(gòu)建模擬部分的原型，而是直接從Antritsu協(xié)議測(cè)試盒中以數(shù)字形式提供移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

圖3 Freescale的SoC設(shè)計(jì)在HAPS-54原型板上的分區(qū)

較早的內(nèi)核使用的某些設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)ASIC來(lái)說(shuō)非常有效果，但對(duì)FPGA來(lái)說(shuō)卻不太好用。另外，RTL的一部分是從系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)代碼中自動(dòng)生成的，由于其過(guò)于復(fù)雜的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，對(duì)FPGA來(lái)說(shuō)也是相當(dāng)不利的。因此，必須對(duì)RTL進(jìn)行一些調(diào)整，使其更加兼容FPGA，這樣做的成效非常顯著。

僅在完成首個(gè)芯片后一個(gè)月，F(xiàn)reescale團(tuán)隊(duì)就成功地從這個(gè)系統(tǒng)中撥出了第一個(gè)移動(dòng)電話呼叫，把產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度縮短了6個(gè)多月，這非常具有里程碑式的意義。

這個(gè)例子說(shuō)明基于 FPGA的原型方法能夠給軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)提供什么樣的增值工具，能夠在產(chǎn)品質(zhì)量和項(xiàng)目進(jìn)程方面帶來(lái)怎樣顯著的回報(bào)。

接口優(yōu)勢(shì)：測(cè)試真實(shí)條件下的數(shù)據(jù)效應(yīng)
很難想象有這樣一種 SoC 設(shè)計(jì)可以不遵守輸入數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、生成輸出數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，如果我們深入SoC設(shè)計(jì)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)數(shù)的子模塊遵循著同樣的結(jié)構(gòu)，直到單個(gè)門級(jí)。

要在這些層級(jí)中的每一個(gè)層級(jí)驗(yàn)證正確的處理，要求我們提供完整的輸入數(shù)據(jù)集，并觀察處理結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)是否正確。對(duì)單個(gè)門來(lái)說(shuō)，這個(gè)工作很簡(jiǎn)單，對(duì)小型 RTL 模塊來(lái)說(shuō)，也是可能的。但隨著系統(tǒng)日趨復(fù)雜，從統(tǒng)計(jì)上來(lái)說(shuō)基本沒(méi)有可能確保輸入數(shù)據(jù)和初始條件的完整性，尤其是在有軟件運(yùn)行在一個(gè)以上的處理器的時(shí)候。

最后一點(diǎn)非常重要，因?yàn)椴豢深A(yù)測(cè)的輸入數(shù)據(jù)能擾亂所有的SoC系統(tǒng)，即便是精心設(shè)計(jì)的關(guān)鍵SoC設(shè)計(jì)也難以幸免。與新輸入的數(shù)據(jù)或者輸入數(shù)據(jù)不尋常的組合或序列相結(jié)合的，是非常多的SoC 可能的前置狀態(tài)，可能會(huì)使SoC處于某種無(wú)法驗(yàn)證的狀態(tài)。當(dāng)然，這種情況不一定是什么問(wèn)題，SoC可以在無(wú)需系統(tǒng)的其他部分干預(yù)的情況下恢復(fù)，或者用戶根本就沒(méi)有察覺(jué)。

但是，不能驗(yàn)證的狀態(tài)必須在最終芯片中避免，因此我們需要盡可能全面地測(cè)試設(shè)計(jì)的方法。在設(shè)計(jì)的功能仿真過(guò)程中，驗(yàn)證工程師會(huì)采用有力的方法，比如受約束隨機(jī)激勵(lì)和高級(jí)測(cè)試工具來(lái)完成多種測(cè)試，旨在達(dá)到可接受的測(cè)試覆蓋面。但是，完整性仍受驗(yàn)證工程師選擇的方向和給定的約束條件的限制，并受限于可用于運(yùn)行仿真的時(shí)間。結(jié)果雖然受約束隨機(jī)驗(yàn)證永遠(yuǎn)不可能窮盡，但能夠大大增強(qiáng)我們已經(jīng)測(cè)試了所有輸入的組合（包括可能的輸入和極端情況輸入）的信心。

對(duì)實(shí)驗(yàn)室可行性實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)
在項(xiàng)目的初始階段，需要對(duì)芯片拓?fù)洹⑿阅?、功耗以及片上通信結(jié)構(gòu)做出基本決策。部分決策采用算法或系統(tǒng)級(jí)建模工具便可良好執(zhí)行，但也可以采用 FPGA 進(jìn)行某些額外的實(shí)驗(yàn)。這是否是真正基于FPGA的原型設(shè)計(jì)呢？我們正使用 FPGA進(jìn)行某個(gè)概念的原型設(shè)計(jì)，但這與使用算法或數(shù)學(xué)工具不同，因?yàn)槲覀冃枰承┛赡苁怯蛇@些高級(jí)工具生成的 RTL。一旦進(jìn)入FPGA，就可采集早期信息幫助推進(jìn)算法和最終SoC架構(gòu)的優(yōu)化?；贔PGA的原型為項(xiàng)目該階段帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是，可使用更準(zhǔn)確的模型，而且這些模型的運(yùn)行速度非常快，能夠與實(shí)時(shí)輸入互動(dòng)。

這種類型的實(shí)驗(yàn)性原型值得一提，因?yàn)樗鼈兪窃谌娴腟oC項(xiàng)目中使用基于FPGA的原型設(shè)計(jì)硬件和工具的又一途徑，可為我們的投資帶來(lái)更高的回報(bào)。

在實(shí)驗(yàn)室外使用原型
基于FPGA的原型設(shè)計(jì)可用于驗(yàn)證SoC設(shè)計(jì)的一個(gè)真正獨(dú)到之處，是其獨(dú)立工作的能力。這是因?yàn)镕PGA可通過(guò)閃存EEPROM卡或其他獨(dú)立介質(zhì)進(jìn)行配置，無(wú)須主機(jī)PC管理。因此該原型不但可獨(dú)立運(yùn)行，而且還可用于各種環(huán)境下的SoC設(shè)計(jì)測(cè)試，這與其他建模技術(shù)（如需要依賴主機(jī)干預(yù)的仿真）提供的環(huán)境儼然不同。
在極端情況下，原型可以完全從實(shí)驗(yàn)室中取出，用于現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境中。比如將原型安裝在開(kāi)動(dòng)的車輛上，研究設(shè)計(jì)對(duì)外部噪聲、移動(dòng)、天線場(chǎng)強(qiáng)等條件變化的依賴性。比如，本文作者就曾將移動(dòng)電話的基帶原型安裝在車輛上，通過(guò)公共GSM網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)中撥打電話。

芯片架構(gòu)師與其他產(chǎn)品專家需要與早期客戶互動(dòng)，展示其算法的重要特性?；贔PGA的原型設(shè)計(jì)在項(xiàng)目極早期的這個(gè)階段可能是非常關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)，但這種方法與主流SoC原型設(shè)計(jì)略有不同。

基于FPGA原型的不足
我們撰寫本文的目的是公正地看待基于FPGA的原型的優(yōu)勢(shì)與局限性，因此在前面談及各種優(yōu)勢(shì)之后，我們將在下面介紹部分局限性。

首先最重要的是，F(xiàn)PGA原型不是RTL模擬器。如果我們的目的是編寫一些RTL，然后盡快在FPGA中實(shí)施，以查看它是否能工作，那么我們應(yīng)該重新思考所忽略的東西。FPGA對(duì)運(yùn)行RTL“模型”來(lái)說(shuō)確實(shí)是一種速度更快的引擎，但當(dāng)我們開(kāi)始設(shè)置該模型的時(shí)候，速度優(yōu)勢(shì)就會(huì)大打折扣。此外，模擬器的儀表盤部分能夠完整地控制激勵(lì)和掌握結(jié)果。我們應(yīng)該思考儀表化FPGA的方法，深入了解設(shè)計(jì)的功能性，但即便是在這方面最完善的設(shè)計(jì)，也只能提供一部分真正能用于 RTL 模擬器儀表盤的信息。因此，該模擬器是用于重復(fù)編寫和評(píng)估RTL代碼更加理想的環(huán)境，因此我們應(yīng)該等到模擬基本完成后，RTL相當(dāng)成熟后才能將其交付給FPGA原型設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

基于FPGA的原型不是ESL
Synopsys的Innovator或Synphony等電子系統(tǒng)級(jí)(ESL)工具或算法工具可在SystemC中完成設(shè)計(jì)，或通過(guò)預(yù)定義模型庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建。然后，我們不但可在相同的工具中模擬這些設(shè)計(jì)，而且還可深入了解其系統(tǒng)級(jí)性能，包括運(yùn)行軟件，在項(xiàng)目初期階段進(jìn)行軟硬件權(quán)衡。

使用基于FPGA的原型方法，我們需要RTL，因此它不太適合研究算法或架構(gòu)，因?yàn)檫@兩者通常不采用RTL方式表達(dá)。對(duì)軟件來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA原型設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是在當(dāng) RTL 成熟得可以構(gòu)建硬件平臺(tái)的時(shí)候，軟件可在更加準(zhǔn)確以及更加真實(shí)的環(huán)境中運(yùn)行。對(duì)那些具有天馬行空想法的人來(lái)說(shuō)，可以編寫少量RTL在FPGA上運(yùn)行，進(jìn)行可行性研究。這是一種極少而又非常重要的FPGA原型設(shè)計(jì)的使用方法，但別把它和整個(gè)SoC的系統(tǒng)級(jí)或算法研究混淆在一起。

持續(xù)性是關(guān)鍵
優(yōu)秀的工程師往往會(huì)為其工作選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ?，但?yīng)該隨時(shí)有一種方法可以將半成品交給他人繼續(xù)完成。我們應(yīng)該能夠在盡量不增加工作量的情況下，將來(lái)自ESL模擬的設(shè)計(jì)移交給基于FPGA的原型。此外，部分ESL工具還可通過(guò)高層次綜合實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，生成RTL供SoC項(xiàng)目整體使用?；贔PGA的原型能夠接收該RTL，并以高周期精度在電路板上運(yùn)行。但我們需要再次等到RTL相對(duì)穩(wěn)定下來(lái)，這需要等到項(xiàng)目軟硬件分區(qū)和架構(gòu)研究階段完成后。

采用FPGA進(jìn)行原型設(shè)計(jì)的原因
當(dāng)前SoC是從算法研究人員到硬件設(shè)計(jì)人員，乃至軟件工程師和芯片布局團(tuán)隊(duì)等眾多專家的工作結(jié)晶，在項(xiàng)目不斷發(fā)展的同時(shí)，各類專家也都有自己的需求。SoC項(xiàng)目的成功很大程度上取決于上述各類專家所使用的硬件驗(yàn)證、軟硬件聯(lián)合驗(yàn)證以及軟件驗(yàn)證的方法，基于FPGA的原型設(shè)計(jì)可為每一類專家?guī)?lái)各種不同的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于硬件團(tuán)隊(duì)而言，驗(yàn)證工具的速度可對(duì)驗(yàn)證吞吐量產(chǎn)生巨大的影響。因此一些團(tuán)隊(duì)采用基于FPGA的原型為這種硬件測(cè)試提供具有更高性能的平臺(tái)。例如，我們可以在近乎實(shí)時(shí)的條件下運(yùn)行整個(gè)操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序，節(jié)省需要花上數(shù)天才能達(dá)到相同目的的模擬時(shí)間。

對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)而言，基于FPGA的原型可為目標(biāo)芯片提供獨(dú)特的流片前模型，能夠在開(kāi)發(fā)接近尾聲時(shí)高速、高度準(zhǔn)確地進(jìn)行軟件調(diào)試。

對(duì)于整個(gè)團(tuán)隊(duì)而言，SoC項(xiàng)目的關(guān)鍵階段是在軟硬件初次結(jié)合的時(shí)候。硬件將由最終軟件執(zhí)行，而執(zhí)行方式可能是單純硬件驗(yàn)證方案難以預(yù)見(jiàn)或預(yù)測(cè)的，從而最終將出現(xiàn)新的硬件問(wèn)題。這在多核系統(tǒng)中或者在那些運(yùn)行同步實(shí)時(shí)應(yīng)用的系統(tǒng)中特別普遍。如果這種軟硬件的采用要等到第一個(gè)器件制造完畢后，那么毫不夸張地說(shuō)，到那時(shí)再發(fā)現(xiàn)新的缺陷就不太好了。