FPGA在ASIC设计流程中的应用(精)

1、第29卷第6期Vol.29,No.6微电子技术MICROELECTRONICTECHNOLOGY总第142期2001年12月产品与应用FPGA在ASIC设计流程中的应用谢长生,徐睿(信息产业部第58研究所,江苏无锡214035摘要:本文介绍了FPGA器件在ASIC芯片开发中的应用,通过仿ASIC的FPGA在系统验证板在实际硬件环境中的验证可以弥补ASIC设计流程中仿真的不足,通过该验证也可以加快ASIC设计且降低由于逻辑问题所造成ASIC开发中的成本损耗。关键词:FPGA应用;ASIC设计;在系统验证中图分类号:TN43112文献标识码:A文章编号:20147(inASICDesignChan

2、g-sheng,XURui(WuxiMicroelectronicsInstitute,WuxiJiangsu,214035,ChinaAbstract:TheapplicationofFPGAdevicesinASICdesignisintroducedinthepaper.ItcanmakecompensationtothesimulationofASICdesignflowtoverifyinrealrunningenvironmentbyusingFPGAVerify2in2Systemboard.ItcanalsoreducethecostofASICdevelopmentdueto

3、logicalproblems.Keywords:ApplicationofFPGA;ASICdesign;Verify2in2System1引言ASIC（专用集成电路器件具有设计自由度大、芯片中没有无用的单元或晶体管、芯片面积小、性能高、大批量生产时成本低的特点,被大量地应用于电子工业各领域。但传统的ASIC设计存在着开发周期长、投片成本大,特别是在一次投片不成功情况下需要重新改版的情况。FPGA（现场可编程逻辑阵列是目前大量运用于电子系统设计中的器件,该器件是在ASIC器件的基础上发展起来的,具有ASIC器件的高密度、高性能和可编程器件灵活编程的特点。当今,FPGA已成为半导体产品市场上发

4、展最快的领域之一。FPGA器件的应用可以使设计工程师快速实现和修改硬件的功能,以极快的时间推出系统原型。同时由于FPGA的灵活性,使其产品极易适应各种不同的应用领域,极易由用户自行配置,使其在维持硬件原有水平的同时,能够根据实际的需要或者变化进行调整。目前FPGA已大量应用于通讯、计算机、视听、医疗电子等设备中。据Dataquest目前发布的一份预测报告显示,到2003年,世界用户专用器件市场将出现ASIC、FPGA、CPLD三足鼎立、龙争虎斗之势。现今FPGA的门数已高达数百万系统门,FPGA的主要供应商有Xilinx、Altera、Actel和Cypress等。FPGA器件灵活的可编程特性

5、能否在ASIC开发流程中得到应用呢?答案是肯定的。通常的ASIC开发流程是逻辑设计、前仿真及QTV分析、版图设计、后仿真及LVS、DRC、ERC、收稿日期:2001-10-18测试向量生成、图形生成,其后是掩膜、制造、封装、测试。在ASIC设计流程中,仿真阶段所花费的时间是最长的,然而由于有时仿真向量大、需要模拟电路工作时间长,仿真软件的效率、计算机硬件资源的有限,通过软件进行仿真还是有限制的。例如,笔者所做的一个CDMA（码分多址信号处理器,仅仿真用户所要求仿真时序的1/20时,仿真数据就已高达一百多兆,仿真时间长达10小时,最后采用化整为零、功能分块的方法将电路基本功能仿真了一遍,然而不能

6、排除电路、功能串起来之后电路没有问题,更不能排除电路潜在的Bug存在。实际芯片工作时,电路有时会进入到预想不到的状态,这一点软件仿真并不能周详地考虑到。因此,在传统的ASIC设计流程中,如果能够尽早地查出电路功能和电路时序中的错误特别是潜在的Bug,那么将对加快设计、降低成本带来益处。在此我们引进了仿ASIC的FPGA在系统验证（称FPGA在系统验证。FPGA:部分电路时序验证,潜在的Bug发现逻辑综合过程验证加快设计流程,减少重新制版几率，降低成本加快系统厂商的系统产品开发方便系统厂商对逻辑功能全面确认2FPGA器件介绍FPGA由一个逻辑块阵列构成,其四周环绕着I/O块,借助于可编程方式把这

7、些微小的逻辑块连接起来以实现复杂的逻辑运算。一般的FPGA都具有成千上万个逻辑块以及一定数量的触发器。FPGA的逻辑块有粗粒和细粒之分。粗粒结构的逻辑块较大,含有两个以上的查询表和触发器,这种FPGA器件比较适合于高性能应用。细粒结构的逻辑块相对较小,含有一个2输出功能块、一个4至1多路器和一个触发器。FPGA具有时钟功能适于逻辑合成设计。高密度的FPGA采用SRAM或者反熔丝编程工艺,后者集成了一次可编程（OTP技术，因此其内部效率较高。我们在系统验证板所采用的FPGA是Xilinx公司的Virtex215V,该系122,有4个专,200MHz,5万至100万门,内嵌BlockRAM,在我们

8、完成的两块FPGA在系统验证板中分别采用了XCV300和XCV150。3FPGA在系统验证在ASIC开发流程中的位置通常ASIC的开发流程如图1所示图1典型的ASIC开发流程FPGA在系统验证就是将经过逻辑设计和前仿真及QTV分析后的门级网表通过工艺重新映射转成FPGA网表,做成相应的FPGA验证板,通过规定的接口在系统硬件环境中进行验证,通过在系统的验证可以仿真电路各种情况,便于发现潜在的问题。在系统验证通过后,就可以进行下一步版图设计。（见图24FPGA在系统验证板的设计下面简要说明一下FPGA在系统验证板的设计过程。首先输出ASIC门级网表，VHDL格式或Verilog格式，在Exemp

9、lar的Leonardo综合软件中读入，将其转换成所选FPGA类型的EDIF网表，在FPGA设计软件Xilinx的Foundation中调入，经过适配，布线构造出FPGA的上电配置数据1bit或1mcs，通过编程器对EEPROM进行编程。同时，进行FPGA在系统验证板的原理设计（可采用Protel软件,完成后进行印制板设计，制作印制板。进15第6期谢长生，徐睿:FPGA在ASIC设计流程中的应用行FPGA在系统验证板的焊接装配,形成最终的FPGA在系统验证板，然后将该板通过接口插入到系统中,就可以进行验证了。（见图3图4给出FPGA在系统验证板的原理图ChinaAcadnnicAllTlghl

10、STTSCTVCd,CJcurnalElectronicFubliaiiin呂tkrust.hltp/www,(nkijt1994-2010图2FPGA在系统验证在ASICJiDI前仿克QTV分折(Min)li!jU'WW!IR«»lk>wntuvI代FPGA在系址验证T版图设计遷辑设计开发流程中的位置图3FPGAChinnAwdnnitAllrihlirestiTved.CJournalElectronic：PublistiinHpuse-httpwww.EnLi.BetIW+-2010在系统验证板的设计制造过程图4FPGA在系统验证板的原理图5进一步设想开发所花费的而言,但随着需要验证的ASIC项目的增多,其费用也是可观的。再说FPGA的特点就是灵活的可编程特性,所以项目之间共享FPGA在系统验证板的设想是成立的。方法之一就是将一块FPGA在系统验证板分成两部分设计,一部分设计成共享的对外采用通用接口,其上包括FPGA、CPLD、EPROM、电源转换等,其通用的程度仅受门数限制,另一块是根据每个ASIC电路所设计的接口部分,通过这种设计方法，只要做一块通用的FPGA在系统验证板,以后所要花费的成本几乎可以忽略不计，从工艺转换到针对某个项