FPGA设计流程指南 前言 本部门所承担的FPGA设计任务主要是两方面的作用:系统的原型实现和ASIC的原型 验证。编写本流程的目的是: 在于规范整个设计流程,实现开发的合理性、一致性、高效性。 形成风格良好和完整的文档 实现在FPGA不同厂家之间以及从FPGA到ASlC的顺利移植 便于新员工快速掌握本部门FPGA的设计流程 由于目前所用到的FPGA器件以 Altera的为主,所以下面的例子也以 Altera为例,工 具组合为 modelsim+ LeonardoSpectrum/ FPGACompilerl+ Quartus,但原则和方法对于其他 厂家和工具也是基本适用的
FPGA 设计流程指南 前言 本部门所承担的 FPGA 设计任务主要是两方面的作用：系统的原型实现和 ASIC 的原型 验证。编写本流程的目的是： ⚫ 在于规范整个设计流程，实现开发的合理性、一致性、高效性。 ⚫ 形成风格良好和完整的文档。 ⚫ 实现在 FPGA 不同厂家之间以及从 FPGA 到 ASIC 的顺利移植。 ⚫ 便于新员工快速掌握本部门 FPGA 的设计流程。 由于目前所用到的 FPGA 器件以 Altera 的为主，所以下面的例子也以 Altera 为例，工 具组合为 modelsim + LeonardoSpectrum/FPGACompilerII + Quartus，但原则和方法对于其他 厂家和工具也是基本适用的
目录 1.基于HDL的rPGA设计流程概述 1.1设计流程图 1.2关键步骤的实现 1.2.1功能仿真 1.2.2逻辑综合 222 1.23前仿真 1.24布局布线 1.2.5后仿真(时序仿真) 2. Verilog hdl设计 2Ⅰ编程风格( Coding Style)要求 2.1.1文件 2.1.2大小写 21.3标识符 2.14参数化设计 2.1.5空行和空格 455555 2.1.6对齐和缩进 2.1.7注释 2.1.8参考C语言的资料 2.1.9可视化设计方法 .2可综合设计 23设计目录 3.逻辑仿真 3.1测试程序( test bench) 666677 3.2使用预编译库 4.逻辑综合 4.1逻辑综合的一些原则 411关于 LeonardoSpectrum 41.1大规模设计的综合 4.1.3必须重视工具产生的警告信息 888 42调用模块的黑盒子( Black box)方法 参考 修订纪录
目 录 1. 基于 HDL 的 FPGA 设计流程概述................................................................................ 1 1.1 设计流程图......................................................................................................... 1 1.2 关键步骤的实现.................................................................................................. 2 1.2.1 功能仿真................................................................................................... 2 1.2.2 逻辑综合................................................................................................... 2 1.2.3 前仿真...................................................................................................... 3 1.2.4 布局布线................................................................................................... 3 1.2.5 后仿真（时序仿真）................................................................................. 4 2. Verilog HDL 设计.......................................................................................................... 4 2.1 编程风格（Coding Style）要求............................................................................ 4 2.1.1 文件.......................................................................................................... 4 2.1.2 大小写...................................................................................................... 5 2.1.3 标识符...................................................................................................... 5 2.1.4 参数化设计............................................................................................... 5 2.1.5 空行和空格............................................................................................... 5 2.1.6 对齐和缩进............................................................................................... 5 2.1.7 注释.......................................................................................................... 5 2.1.8 参考 C 语言的资料.................................................................................... 5 2.1.9 可视化设计方法........................................................................................ 6 2.2 可综合设计......................................................................................................... 6 2.3 设计目录............................................................................................................ 6 3. 逻辑仿真..................................................................................................................... 6 3.1 测试程序（test bench） ....................................................................................... 7 3.2 使用预编译库..................................................................................................... 7 4. 逻辑综合..................................................................................................................... 8 4.1 逻辑综合的一些原则........................................................................................... 8 4.1.1 关于 LeonardoSpectrum.............................................................................. 8 4.1.1 大规模设计的综合..................................................................................... 8 4.1.3 必须重视工具产生的警告信息................................................................... 8 4.2 调用模块的黑盒子（Black box）方法.................................................................. 8 参考............................................................................................................................... 10 修订纪录........................................................................................................................ 10
1.基于HDL的FPGA设计流程概述 1.1设计流程图 (1)设计定义 (2)HDL实现 (3)功能仿真 逻辑仿真器 (4)逻辑综合 逻辑综合器 前仿真 逻辑仿真器 (6)布局布线 FPGA厂家工具 (8)静态时序分析 (7)后仿真 逻辑仿真器 (9)在系统测试 说明: 逻辑仿真器主要指 modelsim, Verilog- XL等。 逻辑综合器主要指 LeonardoSpectrum、 Synplify、 FPGA Express/FPGA Compiler等 FPGA厂家工具指的是如 Altera的Max+ Plusll, Quartusll, Xilinx的 Foundation、 Alliance、ISE41等
1 1. 基于 HDL 的 FPGA 设计流程概述 1.1 设计流程图 说明： ⚫ 逻辑仿真器主要指 modelsim，Verilog-XL 等。 ⚫ 逻辑综合器主要指 LeonardoSpectrum、Synplify、FPGA Express/FPGA Compiler 等。 ⚫ FPGA 厂家工具指的是如 Altera 的 Max+PlusII、QuartusII，Xilinx 的 Foundation、 Alliance、ISE4.1 等。 （1）设计定义 （2）HDL 实现 （3）功能仿真 （4）逻辑综合 （5）前仿真 （6）布局布线 （7）后仿真 （9）在系统测试 逻辑仿真器 逻辑综合器 FPGA 厂家工具 逻辑仿真器 逻辑仿真器 （8）静态时序分析
1.2关键步骤的实现 12.1功能仿真 调用模块的 RIL代码 测试程序 测试数据 行为仿真模型 (test bench) 逻辑仿真器 说明 “调用模块的行为仿真模型”指的是RTL代码中引用的由厂家提供的宏模块/IP,如 Altera提供的LPM库中的乘法器、存储器等部件的行为模型 122逻辑综合 RTL代码 设置综合目标 调用模块的 和约束条件 黑盒子接口 逻辑综合器 EDF网表 HDL网表 (netlist (netlist 说明 “调用模块的黑盒子接口”的导入,是由于RTL代码调用了一些外部模块,而这些外 部模块不能被综合或无需综合,但逻辑综合器需要其接口的定义来检査逻辑并保留这些模块 的接口
2 1.2 关键步骤的实现 1.2.1 功能仿真 说明： “调用模块的行为仿真模型”指的是 RTL 代码中引用的由厂家提供的宏模块/IP，如 Altera 提供的 LPM 库中的乘法器、存储器等部件的行为模型。 1.2.2 逻辑综合 说明： “调用模块的黑盒子接口”的导入，是由于 RTL 代码调用了一些外部模块，而这些外 部模块不能被综合或无需综合，但逻辑综合器需要其接口的定义来检查逻辑并保留这些模块 的接口。 RTL 代码 逻辑仿真器 RTL 代码 逻辑综合器 调用模块的 行为仿真模型 测试数据 调用模块的 黑盒子接口 设置综合目标 和约束条件 EDIF 网表 （netlist） HDL 网表 （netlist） 测试程序 （test bench）
123前仿真 逻辑综合器 HDL网表 调用模块的 测试程序 测试数据 (netlist 行为仿真模型 (test bench) 逻辑仿真器 说明: 一般来说,对FPGA设计这一步可以跳过不做,但可用于 debug综合有无问题。 124布局布线 逻辑综合器 设置布局布线 EDIF网表 调用模块的 约束条件 netlist) 综合模型 FPGA厂家工具 下载/编程文件 HDL网表 SDF文件 (netlist (标准延时格式)
3 1.2.3 前仿真 说明： 一般来说，对 FPGA 设计这一步可以跳过不做，但可用于 debug 综合有无问题。 1.2.4 布局布线 逻辑综合器 HDL 网表 （netlist） 逻辑仿真器 调用模块的 测试数据 行为仿真模型 测试程序 （test bench） 逻辑综合器 EDIF 网表 （netlist） FPGA 厂家工具 调用模块的 综合模型 设置布局布线 约束条件 HDL 网表 （netlist） SDF 文件 （标准延时格式） 下载/编程文件
125后仿真(时序仿真) 测试数据 FPGA厂家工具 HDL网表 SDF文件 FPGA基本单 测试程序 (netlist) (标准延时格式) 元仿真模型 (test bench) 逻辑仿真器 2Ⅴ erilog hdl设计 基于将来设计转向ASIC的方便,本部门的设计统一采用 Verilog hdl,但针对混合设 计和混合仿真的趋势,所有开发人员也应能读懂ⅤHDL Ⅴ erilog HDl的学习可参考[12 21编程风格( Coding style)要求 2.1.1文件 (1)每个模块( module)一般应存在于单独的源文件中,通常源文件名与所包含模 块名相同。 (2)每个设计文件开头应包含如下注释内容: 年份及公司名称 作者。 文件名 所属项目 顶层模块 模块名称及其描述 修改纪录 请参考标准示例程序[B]
4 1.2.5 后仿真（时序仿真） 2. Verilog HDL 设计 基于将来设计转向 ASIC 的方便，本部门的设计统一采用 Verilog HDL，但针对混合设 计和混合仿真的趋势，所有开发人员也应能读懂 VHDL。 Verilog HDL 的学习可参考[1][2]。 2.1 编程风格（Coding Style）要求 2.1.1 文件 （1） 每个模块（module）一般应存在于单独的源文件中，通常源文件名与所包含模 块名相同。 （2） 每个设计文件开头应包含如下注释内容： ⚫ 年份及公司名称。 ⚫ 作者。 ⚫ 文件名。 ⚫ 所属项目。 ⚫ 顶层模块。 ⚫ 模块名称及其描述。 ⚫ 修改纪录。 请参考标准示例程序[3]。 FPGA 厂家工具 HDL 网表 （netlist） SDF 文件 （标准延时格式） 逻辑仿真器 测试数据 FPGA 基本单 元仿真模型 测试程序 （test bench）
2.1.2大小写 (1)如无特别需要,模块名和信号名一律采用小写字母 (2)为醒目起见,常数( define定义)/参数( parameter定义)采用大写字母。 2.1.3标识符 (1)标识符采用传统C语言的命名方法,即在单词之间以“”分开,如: max delay、 data size等等 (2)采用有意义的、能反映对象特征、作用和性质的单词命名标识符,以增强程序 的可读性。 (3)为避免标识符过于冗长,对较长单词的应当采用适当的缩写形式,如用buf 代替‘ buffer’,‘ena’代替‘ enable',‘adr’代替‘ address’等。 2.14参数化设计 为了源代码的可读性和可移植性起见,不要在程序中直接写特定数值,尽可能采用 ne语句或 paramater语句定义常数或参数。 5空行和空格 (1)适当地在代码的不同部分中插入空行,避免因程序拥挤不利阅读 (2)在表达式中插入空格,避免代码拥挤,包括: 赋值符号两边要有空格 双目运算符两边要有空格 单目运算符和操作数之间可没有空格, 示例如下 if(a b)then 21.6对齐和缩进 (1)不要使用连续的空格来进行语句的对齐 (2)采用制表符Tab对语句对齐和缩进,Iab键采用4个字符宽度,可在编辑器中 设置。 (3)各种嵌套语句尤其是if.lse语句,必须严格的逐层缩进对齐。 7注释 必须加入详细、清晰的注释行以增强代码的可读性和可移植性,注释内容占代码篇幅不 应少于30% 2.18参考C语言的资料 要形成良好的编程风格,有许多细节需要注意,可以参考资料[4],虽然它是针对C语 言的讨论,但由于 Verilog hdl和C语言的形式非常近似,所以里面提到的很多原则都是可 以借鉴的
5 2.1.2 大小写 （1） 如无特别需要，模块名和信号名一律采用小写字母。 （2） 为醒目起见，常数（`define 定义）/参数（parameter 定义）采用大写字母。 2.1.3 标识符 （1） 标识符采用传统 C 语言的命名方法，即在单词之间以“_”分开，如：max_delay、 data_size 等等。 （2） 采用有意义的、能反映对象特征、作用和性质的单词命名标识符，以增强程序 的可读性。 （3） 为避免标识符过于冗长，对较长单词的应当采用适当的缩写形式，如用‘buff’ 代替‘buffer’，‘ena’代替‘enable’，‘addr’代替‘address’等。 2.1.4 参数化设计 为了源代码的可读性和可移植性起见，不要在程序中直接写特定数值，尽可能采用 `define 语句或 paramater 语句定义常数或参数。 2.1.5 空行和空格 （1） 适当地在代码的不同部分中插入空行，避免因程序拥挤不利阅读。 （2） 在表达式中插入空格，避免代码拥挤，包括： 赋值符号两边要有空格； 双目运算符两边要有空格； 单目运算符和操作数之间可没有空格， 示例如下： a <= b; c <= a + b; if (a == b) then ... a <= ~a & c; 2.1.6 对齐和缩进 （1） 不要使用连续的空格来进行语句的对齐。 （2） 采用制表符 Tab 对语句对齐和缩进，Tab 键采用 4 个字符宽度，可在编辑器中 设置。 （3） 各种嵌套语句尤其是 if...else 语句，必须严格的逐层缩进对齐。 2.1.7 注释 必须加入详细、清晰的注释行以增强代码的可读性和可移植性，注释内容占代码篇幅不 应少于 30%。 2.1.8 参考 C 语言的资料 要形成良好的编程风格，有许多细节需要注意，可以参考资料[4]，虽然它是针对 C 语 言的讨论，但由于 Verilog HDL 和 C 语言的形式非常近似，所以里面提到的很多原则都是可 以借鉴的
2.1.9可视化设计方法 为提高设计效率和适应协同设计的方式,可采用可视化的设计方法, Mentor Grahpics 的 Renoir软件提供了非常好的设计模式 22可综合设计 用HDL实现电路,设计人员对可综合风格的RL描述的掌握不仅会影响到仿真和综合 的一致性,也是逻辑综合后电路可靠性和质量好坏最主要的因素,对此应当予以充分的重视 学习可综合的HDL请参考[56[7 学习设计的模块划分请参考[8] 23设计目录 采用合理、条理清晰的设计目录结构有助于提高设计的效率、可维护性。建议采用类似 下面的目录结构 (源代码) (综合) (仿真) (布局布线) (2) design verI (源代码)(综合)(仿真)(布局布线)(源代码)(综合)(仿真)(布局布线) 3.逻辑仿真 考虑到性能和易用性,首选的逻辑仿真器是 Mentor Graphics的 modelsim
6 2.1.9 可视化设计方法 为提高设计效率和适应协同设计的方式，可采用可视化的设计方法，Mentor Grahpics 的 Renoir 软件提供了非常好的设计模式。 2.2 可综合设计 用 HDL 实现电路，设计人员对可综合风格的 RTL 描述的掌握不仅会影响到仿真和综合 的一致性，也是逻辑综合后电路可靠性和质量好坏最主要的因素，对此应当予以充分的重视。 学习可综合的 HDL 请参考 [5][6] [7]。 学习设计的模块划分请参考[8]。 2.3 设计目录 采用合理、条理清晰的设计目录结构有助于提高设计的效率、可维护性。建议采用类似 下面的目录结构： （1） （2） 3. 逻辑仿真 考虑到性能和易用性，首选的逻辑仿真器是 Mentor Graphics 的 modelsim。 design src （源代码） syn （综合） sim （仿真） par (布局布线) design ver1 ver2 src （源代码） syn （综合） sim （仿真） par (布局布线) src （源代码） syn （综合） sim （仿真） par (布局布线)
31测试程序( test bench) 测试程序对于设计功能和时序的验证有着举足轻重的影响,测试激励的完备性和真实性 是关键所在,有以下原则须遵循: (1)测试激励输入和响应输出采集的时序应当兼顾功能仿真(无延时)和时序仿真 (有延时)的情况 (2)对于周期较多的测试,为提高效率,尽可能采用程序语句来判断响应与标准结 果是否一致,给出成功或出错标志,而不是通过观察波形来判断 (3)采用基于文件的测试是很好的办法,即由 matlab或spw等系统工具产生测试数 据,测试程序将其读入产生激励,再把响应结果写入到文件,再交给上述工具 进行处理或分析 (4)仿真器支持几乎所有的 Verilog hdl语法,而不仅仅是常用的RL的描述,应 当利用这一点使测试程序尽可能简洁、清楚,篇幅长的要尽量采用task来描述。 32使用预编译库 在进行功能仿真和后仿真时都需要某些模块的行为仿真模型和门级仿真模型,如 Altera Quartus里的20 model v(LPM模块行为仿真模型)和apex20 ke atoms.v(20KE系列门级仿 真模型),为避免在不同的设计目录中多次编译这些模型,应当采用一次编译,多次使用的 方法。具体做法如下(以20KE门级库为例): l:在某个工作目录下新建一库名apex20ke,将apex20 ke atoms. v编译到其中 2:在图形界面中的 Load Design对话框中装入仿真设计时,在 verilog标签下指定预编 译库的完整路径。(见下图) 「 Design VHDL Verilog SDF Delay Selection typ D: /work/altera_ simlib/apex20ke Browse Remove Pulse Options rOther Options Disable select Library 区 搜寻〔 回国圃回 Ero回p@m抽地 C apex20k Capex20ke_asynch pterm C apex20 User Defir P and16 O apex20ke □ex20 ke asynch io □apex20ke □apex20ke_ asynch1cel Oapex20ke_ dpram 取消 Library D: work \altera_simlib \apex20ke
7 3.1 测试程序（test bench） 测试程序对于设计功能和时序的验证有着举足轻重的影响，测试激励的完备性和真实性 是关键所在，有以下原则须遵循： （1） 测试激励输入和响应输出采集的时序应当兼顾功能仿真（无延时）和时序仿真 （有延时）的情况。 （2） 对于周期较多的测试，为提高效率，尽可能采用程序语句来判断响应与标准结 果是否一致，给出成功或出错标志，而不是通过观察波形来判断。 （3） 采用基于文件的测试是很好的办法，即由 matlab 或 spw 等系统工具产生测试数 据，测试程序将其读入产生激励，再把响应结果写入到文件，再交给上述工具 进行处理或分析。 （4） 仿真器支持几乎所有的 Verilog HDL 语法，而不仅仅是常用的 RTL 的描述，应 当利用这一点使测试程序尽可能简洁、清楚，篇幅长的要尽量采用 task 来描述。 3.2 使用预编译库 在进行功能仿真和后仿真时都需要某些模块的行为仿真模型和门级仿真模型，如 Altera Quartus 里的 220model.v（LPM 模块行为仿真模型）和 apex20ke_atoms.v（20KE 系列门级仿 真模型），为避免在不同的设计目录中多次编译这些模型，应当采用一次编译，多次使用的 方法。具体做法如下（以 20KE 门级库为例）： 1：在某个工作目录下新建一库名 apex20ke，将 apex20ke_atoms.v 编译到其中。 2：在图形界面中的 Load Design 对话框中装入仿真设计时，在 Verilog 标签下指定预编 译库的完整路径。（见下图）
4.逻辑综合 目前可用的FPGA综合工具有 Mentor Graphics的 Leonardospectrum, Synplicity的 Synplify和 Synopsys的 FPGA Compiler/ FPGA Express, Leonardospectrum由于性能和速度 最好,成为我们首选的综合器, FPGA CompilerlI/FPGA Express由于可以和 Design Compiler 代码兼容也可用。见参考[9] 4.1逻辑综合的一些原则 HDL代码综合后电路质量的好坏主要取决于三个方面:RTL实现是否合理、对厂家器 件特点的理解和对综合器掌握的程度。参考[10中有比较全面的讨论。 4.1.1关于 Leonardospectrum LeonardoSpectrum对综合的控制能力比较强,但使用也略为复杂,故需要在使用前尽量 熟悉其功能,才能取得较好的综合结果。 当出现综合结果不能满足约束条件时,不要急于修改设计源文件,应当通过综合器提供 的时序和面积分析命令找出关键所在,然后更改综合控制或修改代码。 在 Leonardospectrum20001b以前的版本输出的v网表都不能用于仿真 4.1.1大规模设计的综合 分块综合 当设计规模很大时,综合也会耗费很多时间。如果设计只更改某个模块时,可以分块综 合。如有设计topv包含av和bv两个模块,当只修改av的话,可以先单独综合bv,输 出其网表bedf,编写一个b模块的黑盒子接口bsnv,每次修改av后只综合topw、av bsn.v,将综合后的网表和bedf送去布线,可以节约综合b模块的时间。 采用脚本命令 当设计规模比较大时,综合控制也许会比较复杂,可以考虑采用脚本控制文件的方式进 行综合控制, modelsim、 LeonardoSpectrum和 Quartus都支持TCL( Tool Command Language) 语言,采用脚本控制可以提供比图形界面更灵活和更方便的控制手段。 4.1.3必须重视工具产生的警告信息 综合工具对设计进行处理可能会产生各种警告信息,有些是可以忽略的,但设计者应该 尽量去除,不去除必须确认每条警告的含义,避免因此使设计的实现产生隐患 这个原则对仿真和布局布线同样适用 42调用模块的黑盒子( Black box)方法 使用黑盒子方法的原因主要有两点: 一是HDL代码中调用了一些FPGA厂家提供的模块(如 Altera的LPM模块)或第三 方提供的IP,这些模块不需要综合,而且有些综合器也不能综合(如 FPGA CompilerlI/FPGA Express I可以综合包含LPM的代码而 Leonardospectrum不能)。因此须提供一个黑盒子接口 给综合器,所调用的模块到布局布线时才进行连接
8 4. 逻辑综合 目前可用的 FPGA 综合工具有 Mentor Graphics 的 LeonardoSpectrum，Synplicity 的 Synplify 和 Synopsys 的 FPGA CompilerII/FPGA Express，LeonardoSpectrum 由于性能和速度 最好，成为我们首选的综合器，FPGA CompilerII/FPGA Express 由于可以和 Design Compiler 代码兼容也可用。见参考[9] 4.1 逻辑综合的一些原则 HDL 代码综合后电路质量的好坏主要取决于三个方面：RTL 实现是否合理、对厂家器 件特点的理解和对综合器掌握的程度。参考[10]中有比较全面的讨论。 4.1.1 关于 LeonardoSpectrum LeonardoSpectrum 对综合的控制能力比较强，但使用也略为复杂，故需要在使用前尽量 熟悉其功能，才能取得较好的综合结果。 当出现综合结果不能满足约束条件时，不要急于修改设计源文件，应当通过综合器提供 的时序和面积分析命令找出关键所在，然后更改综合控制或修改代码。 在 LeonardoSpectrum 2000.1b 以前的版本输出的 .v 网表都不能用于仿真。 4.1.1 大规模设计的综合 ⚫ 分块综合 当设计规模很大时，综合也会耗费很多时间。如果设计只更改某个模块时，可以分块综 合。如有设计 top.v 包含 a.v 和 b.v 两个模块，当只修改 a.v 的话，可以先单独综合 b.v，输 出其网表 b.edf，编写一个 b 模块的黑盒子接口 b_syn.v，每次修改 a.v 后只综合 top.v、a.v、 b_syn.v，将综合后的网表和 b.edf 送去布线，可以节约综合 b 模块的时间。 ⚫ 采用脚本命令 当设计规模比较大时，综合控制也许会比较复杂，可以考虑采用脚本控制文件的方式进 行综合控制，modelsim、LeonardoSpectrum 和 Quartus 都支持 TCL（Tool Command Language） 语言，采用脚本控制可以提供比图形界面更灵活和更方便的控制手段。 4.1.3 必须重视工具产生的警告信息 综合工具对设计进行处理可能会产生各种警告信息，有些是可以忽略的，但设计者应该 尽量去除，不去除必须确认每条警告的含义，避免因此使设计的实现产生隐患。 这个原则对仿真和布局布线同样适用。 4.2 调用模块的黑盒子（Black box）方法 使用黑盒子方法的原因主要有两点： 一是 HDL 代码中调用了一些 FPGA 厂家提供的模块（如 Altera 的 LPM 模块）或第三 方提供的 IP，这些模块不需要综合，而且有些综合器也不能综合（如 FPGA CompilerII/FPGA Express 可以综合包含 LPM 的代码而 LeonardoSpectrum 不能）。因此须提供一个黑盒子接口 给综合器，所调用的模块到布局布线时才进行连接
