EDA技術與FPGA設計應用

FPGA設計應用及優化策略

1.FPGA設計層次分析

FPGA設計包括描述層次及描述領域兩方面內容。通常設計描述分為6個抽象層次，從高到低依次為：系統層、算法層、寄存器傳輸層、邏輯層、電路層和版圖層。對每一層又分別有三種不同領域的描述：行為域描述、結構域描述和物理域描述。

系統層是系統最高層次的抽象描述，針對于電子系統整體性能。算法層又稱為行為層，它是在系統級性能分析和結構劃分后對每個模塊的功能描述。算法層所描述的功能、行為最終要用數字電路來實現。而數字電路本質上可視為由寄存器和組合邏輯電路組成，其中寄存器負責信號存儲，組合邏輯電路負責信號傳輸。寄存器傳輸層描述正是從信號存儲、傳輸的角度去描述整個系統。寄存器和組合邏輯本質上是由邏輯門構成，邏輯層正是從邏輯門組合及連接角度去描述整個系統。

FPGA各個描述層次及綜合技術關系如圖1所示。傳統的綜合工具是將寄存器傳輸級(RTL)的描述轉化為門級描述。隨著以行為設計為主要標志的新一代系統設計理論的不斷成熟，能夠將系統行為級描述轉化為RTL描述的高層次綜合技術不斷涌現。

作為現代集成電路設計的重點與熱點，FPGA設計一般采用自頂向下、由粗到細、逐步求精的方法。設計最頂層是指系統的整體要求，最下層是指具體的邏輯電路實現。自頂向下是將數字系統的整體逐步分解為各個子系統和模塊，若子系統規模較大則進一步分解為更小的子系統和模塊，層層分解，直至整個系統中各子模塊關系合理、便于設計實現為止。

2.VHDL在FPGA設計中的應用

集成電路設計規模及復雜度不斷增大，用傳統原理圖方法進行系統級芯片設計已不能滿足設計要求，而硬件描述語言(HDL，Hardware Description Language)在進行大規模數字系統設計時具有諸多優勢，因此利用硬件描述語言進行系統行為級設計已成為FPGA與ASIC設計的主流。目前最流行、最具代表性的硬件描述語言是美國國防部(DOD)開發的VHDL(VHSIC Hardware Description Language)和GDA(Gateway Design Automation)公司開發的Verilog HDL。

VHSIC代表Very High Speed Integrated Circuit，因此VHDL即甚高速集成電路硬件描述語言。VHDL語法嚴格，1987年即成為IEEE標準，即IEEE STD 1076-1987，1993年進一步修訂成為IEEE STD 1076-1993。

VHDL作為IEEE標準，已得到眾多EDA公司支持，其主要優點有：

● 描述能力強，支持系統行為級、寄存器傳輸級和門級三個層次設計;

● 可讀性好、移植性強，其源文件既是程序又是文檔，便于復用和交流;

● 支持自頂向下的設計和基于庫(Library-based)的設計;

● 支持同步、異步及隨機電路的設計;

● 與工藝無關，生命周期長。

VHDL語言主要應用在行為層和寄存器傳輸層，這兩層可充分發揮出VHDL面向高層的優勢。利用VHDL實現數字電路的實質是利用綜合工具將高層次描述轉化為低層次門級描述，其中綜合可分為三個層次：高層次綜合(High-Level Synthesis)、邏輯綜合(Logic Synthesis)和版圖綜合(Layout Synthesis)。