基于FPGA的SoC原型驗證的設計與實現

摘要：在SoC開發過程中，基于FPGA的原型驗證是一種有效的驗證方法，它不僅能加快SoC的開發，降低SoC應用系統的開發成本，而且提高了流片的成功率。文章主要描述了基于FPGA的SoC原型驗證的設計與實現，針對FPGA基驗證中存在的問題進行了分析并提出了解決方案。
關鍵詞：現場可編程門陣列；系統級芯片；原型驗證；驗證平臺

0 引言
隨著SoC設計規模的與日俱增，其功能日趨復雜，芯片的驗證階段占據了整個芯片開發的大部分時間。為了縮短驗證時間，在傳統的仿真驗證的基礎上涌現了許多新的驗證手段，如SDV(Software Driven verification)、BFM(Bus Function Model)等，以及基于FPGA的原型驗證技術。
因FPGA工藝及技術的發展，其速度、容量和密度都大大增加，功耗和成本在不斷的降低，使得基于FPGA的原型驗證得到廣泛的應用。基于FPGA的原型驗證可以比軟件仿真速度高出4～6個數量級，而且還可以提高流片成功率，并為軟件開發提供了硬件平臺，加速了軟件的開發速度。
本文主要論述了FPGA基原型驗證的實現方法，并且針對ARM1136為內核的SoC，如何快速而有效地搭建一個原型驗證平臺做了詳細的論述，最后還以UART為例來說明一種簡單、可重用性好、靈活性強的測試程序架構。

1 基于ARM1136的SoC設計
本文驗證的SoC芯片是定位于手持視頻播放設備、衛星導航產品的高性能應用處理器，采用了ARM1136作為內核，ARM11在提供超高性能的同時，還能保證功耗、面積的有效性。
同時在這個架構中還采用了ARM公司的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)總線，它是一組針對基于ARM核的片上系統之間通信而設計的標準協議。在設計中，對于一些處理數據和通訊速度要求較高的設備掛在AHB總線上，而那些對總線性能要求不高的設備掛在APB總線上。
為了能夠提高一些設備間的數據傳輸速度，該設計加入了DMA，其支持存儲器到存儲器、存儲器到外設、外設到存儲的傳輸。
基于ARM11設計的SoC系統構架如圖1所示，這個系統還包括了USB控制器、LCD控制器、圖像處理單元GPU、視頻處理單元VPU、GPS、I2S、通用異步串口UART、同步串口SPI、TIMER、PWM、實時時鐘(RTC)、I2C總線和功耗管理單元(PMU)等。

2 FPGA原型驗證平臺的快速搭建
FPGA的發展為SoC的原型驗證提供了巨大的發揮空間，面對復雜的SoC系統，傳統的一些驗證方法和單一的驗證技術已經不能滿足設計的要求。本文所設計的平臺不僅能加快開發速度，提高流片成功率，而且還具有低錯誤率、快速和簡易的特點，因此特別適合用于RTL代碼更改頻繁的設計中。