FPGA在ASIC设计流程中的应用(精)

第 29卷第 6期 V ol. 29, N o. 6
微电子技术
MICR OE LECTR ONIC TECHN OLOG Y
总第 142期 2001年 12月
产品与应用
FPG A 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 FPG A 器件在 ASIC 芯片开发中的应用 , 通过仿 ASIC 的 FPG A 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 : FPG A 应用 ; ASIC 设计 ; 在系统验证
中图分类号 :T N43112文献标识码 :A 文章编号 :20147(
in ASIC Design
Chang -sheng , X U Rui
(Wuxi Microelectronics Institute , Wuxi Jiangsu , 214035, China
Abstract : The application of FPG A devices in ASIC design is introduced in the paper. It can make com pensation to the simulation of ASIC design flow to verify in real running environment by using FPG A Verify 2 in 2System board. It can als o reduce the cost of ASIC development due to logical problems.
K eyw ords : Application of FPG A ; ASIC design ; Verify 2in 2System
1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。

FPG A (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 , FPG A 已成为半导体产品市场上发展最快的领域之一。

FPG A 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 FPG A 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 FPG A 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 、 FPG A 、 CP LD 三足鼎立、龙争虎斗之势。

现今 FPG A 的门数已高达数百万系统门 , FPG A 的主要供应商有 X ilinx 、 Altera 、Actel 和 Cypress 等。

FPG A 器件灵活的可编程特性能否在 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 QT V 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 C DMA (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 FPG A 在系统验证 (称 FPG A 在系统验证。

FPG A :● ● 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
2 FPG A 器件介绍
FPG A 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些微小的逻辑块连
接起来以实现复杂的逻辑运算。

一般的 FPG A 都具
有成千上万个逻辑块以及一定数量的触发器。

FPG A 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
FPG A 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。

FPG A 具有时钟功能适于逻辑合成设计。

高密度的 FPG A 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 FPG A 是 X ilinx 公司的 Virtex 215V , 该系
122
, 有 4个专 , 200MH z ,
5万至 100万门 , 内嵌 Block RAM , 在我们完成的两块 FPG A 在系统验证板中分别采用了 XC V300和 XC V150。

3 FPG A 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
FPG A 在系统验证就是将经过逻辑设计和前仿真及 QT V 分析后的门级网表通过工艺重新映射转
成 FPG A 网表 , 做成相应的 FPG A 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 2
4 FPG A 在系统验证板的设计
下面简要说明一下 FPG A 在系统验证板的设计过程。

首先输出 ASIC 门级网表 , VH D L 格式或 Verilog 格式 , 在 Exem plar 的 Leonardo 综合软件中读入 , 将其转换成所选 FPG A 类型的 E DIF 网表 , 在 FPG A 设计软件 X ilinx 的 F oundation 中调入 , 经过适配 , 布线构造出 FPG A 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 FPG A 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
1
5第 6期谢长生 , 徐睿 :FPG A 在 ASIC 设计流程中的应用
行 FPG A 在系统验证板的焊接装配 , 形成最终的
FPG A 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 FPG A 在系统验证板的原理图。

图 2 FPG A 在系统验证在 ASIC
开发流程中的位置图 3 FPG A
在系统验证板的设计制造过程
图 4 FPG A 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 FPG A 的特点就是灵活的可编程特性 , 所以项目之间共享 FPG A 在系统验证板的设想是成立的。

方法之一就是将一块 FPG A 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 FPG A 、 CP LD 、 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 FPG A 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目的 FPG A 在系统验证板完成所花费的有效时间估计只需几个小时。

6结束语
以上的 FPG A 上系统验证方法已经参与过我们两个 ASIC 电路的设计 , 取得了很好的效果。

就目前看来 , 无论是设计方还是用户方都对这个验证方法有着兴趣和要求。

参考文献 :
[1]X ilinx 现场可编程门阵列器件手册 1October 6, 2000. [2]电子产品世界2001年 6月
25微电子技术。