FPGA设计流程、工具和基本知识梳理

1 设计流程

FPGA设计流程是利用EDA工具和编程工具，实现对FPGA芯片的开发过程。FPGA的设计流程如下图所示：

• 设计定义
• 代码实现
• 功能仿真
• 逻辑综合
• 前仿真
• 布局布线
• 后仿真
• 板级测试

1.1 设计定义

设计定义阶段主要进行方案验证、系统设计和FPGA芯片选型等准备工作。根据任务要求，评估系统的指标和复杂度，对工作速度和芯片本身的资源、成本等方面进行权衡，选择合理的设计方案和合适的器件类型。

这个阶段往往会花费大量的时间，这个阶段之后一般已经完成了系统建模，功能划分，模块划分以及设计文档的撰写等工作。

1.2 代码实现

代码实现阶段是将划分好的各功能模块用硬件描述语言表达出来，常用的硬件描述语言有Verilog HDL和VHDL。

为了能够提前验证，对于复杂系统的FPGA设计还会首先利用高级语言（C++\Python）或者仿真工具（Simulink）进行算法上的SIL验证，其次可能再会用一些综合工具去实现行为级到RTL级的转换。

1.3 功能仿真

功能仿真是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延迟信息，仅对初步的功能进行检测。这里我们补充一个延迟类型的知识点：器件延迟和路径延迟。
我们知道信号在电路中传输时会有两种延迟：器件延迟和路径延迟。

顾名思义，器件延迟是信号在经过器件传输时的延迟时间，器件延迟与器件本身特质相关；路径延迟是信号经过连接线时的延迟时间，与连线长度成正比。

上图中信号从a到b的延迟时间为T1+T2+T3+T4+T5，其中器件延迟是T1、T3、T5，路径延迟是T2、T4。在功能仿真中，这些延迟信息都为零。

1.4 逻辑综合

逻辑综合的概念是：将高级抽象层次的语言描述转化成较低层次的电路结构。

也就是说将硬件描述语言描述的电路逻辑转化成与门、或门、非门、触发器等基本逻辑单元的互连关系，也就是我们常说的门级网表。

综合的概念很重要，利用Verilog 做电路设计时我们总是强调可综合的概念，可综合就是我们的这段代码可以被翻译成门级电路，不可综合就是代码不能被翻译成与之对应的门级电路。

综合是创造性的转化过程，它不但能翻译我们的电路，还能够优化我们的电路，比如去除电路描述中冗余的电路结构，或者复用功能相同的电路结构。

Verilog中可综合的语法多用于电路设计，那么为什么还要有不可综合的语法呢？不可综合的语法用于仿真测试。

1.5 前仿真

前仿真也叫做综合后仿真，仿真时，把综合生成的标准延时文件反标注到综合仿真模型中去。

因为综合后只能体现基本的逻辑门之间的互连关系，并不是实物电路，没有连线长度信息，所以前仿真只能评估门延时带来的影响，不能估计路径延时，前仿真结果和布线后实际情况还有一定的差距，并不十分准确。

目前的综合工具较为成熟，一般的设计可以省略这一步。但如果布局布线后发现电路功能与设计意图不符，就需要回溯到前仿真来确定问题所在。

1.6 布局布线

综合后生成的门级网表只是表示了门与门之间虚拟的连接关系，并没有规定每个门的位置以及连线长度等。布局布线就是一个将门级网表中的门的位置以及连线信息确定下来的过程。

综合后生成的门级网表只是虚拟的连接关系，并没有反应到实物上去。布局布线有时也叫作实现与布局布线，布局布线将逻辑网表中的门级连接关系配置到FPGA芯片内部的固有硬件结构上。布局布线过程将每一个门实际配置到固定位置的可编程逻辑块（CLB）中，
在解释布局布线之前，我们先回顾一下FPGA的结构，我们知道FPGA可重复编程的基础是拥有巨量的可配置逻辑块（CLB）、丰富的布线资源以及其他资源

①布局

布局的过程就是将门级网表中的每一个门“安置”到CLB中的过程，这个过程是一个映射的过程。

②布线

布线是利用FPGA中丰富的布线资源将CLB根据逻辑关系连接在一起的过程。

逻辑门的映射位置不是随意的，是FPGA设计软件经过算法计算后精心排列的一般的布局布线策略是占用最少的CLB并且连线尽量短，也就是面积和速度最优。

布局布线策略有两种：速度优先和面积优先，往往不能同时达到两者皆最优，所以布局布线时需要在速度最优和面积最优之间做出选择。

一般的布局布线策略是占用最少的CLB并且连线尽量短，也就是面积和速度最优。

布局布线策略有两种：速度优先和面积优先，往往不能同时达到两者皆最优，所以布局布线时需要在速度最优和面积最优之间做出选择。

布局布线后就可以进行静态时序分析了，静态时序分析的方法是在布局布线后的实际电路中寻找寄存器和寄存器之间的最长路径延迟，通过最大延迟可以得出系统最大时钟速率。静态时序分析也是EDA工具自动完成，延迟路径信息可以在生成的时序报告中分析。

1.7 后仿真

后仿真也称为时序仿真，是将布局布线的延时信息反标注到设计网表中来检测有无时序违规。

经过布局布线后，门与门之间的连线长度也确定了，所以后仿真包含的延迟信息最全，也最精确，能更好的反映芯片的额实际工作情况。

现在我们可以总结一下功能仿真、前仿真和后仿真的区别了：

功能仿真：无延迟信息；
前仿真：只有门级的延迟；
后仿真：门级延迟和连线延迟；

1.8 板级仿真

我们的FPGA设计不能只在电脑上跑仿真，最终还是要在电路板上应用起来的，设计的最后一步就是板级测试了，将EDA软件产生的数据文件（位数据流文件）下载到FPGA芯片中，进行实际的测试。

FPGA工程师还需要有一定的硬件知识，能够看懂电路板原理图设计和PCB是最低要求了，能够独立设计原理图是最好的了。

2 设计工具

目前，全球FPGA市场高度集中，被美国四家企业垄断，呈现出“两大两小”的市场格局。“两大”是指Xilinx（赛灵思）和Intel（因特尔），“两小”是指Microsemi（美高森美）和Lattice（莱迪思），前两大企业占据近90%的市场份额。

其中Intel的FPGA业务是收购自Altera公司的，现在的Microsemi是在2010年收购Actel后合并而来的。

2015年Lattice以6亿美元收购Silicon
Image公司；基于保护国家战略资产的考虑，16年底美国总统特朗普下达行政指令，宣布停止具有中资背景的私募股权基金（Canyon
Bridge）收购美国FPGA芯片制造商Lattice（莱迪思）的交易，要求买卖双方完全、永久性地放弃收购。

“两小”厂家主攻的是特殊市场，比如军工、航天市场所用的反熔丝FPGA。反熔丝FPGA价格十分昂贵，只能烧录一次，抗辐照能力比较强。

初学者学习Xilinx（赛灵思）和Intel（因特尔）家的FPGA就可以，官网资料比较多，开发板相对便宜。

我们只介绍Xilinx（赛灵思）和Intel（因特尔）的FPGA产品系列，另外两家小众的FPGA就不介绍了。

上面图片中的产品系列是从两家FPGA厂家官网上找到的当前在售的产品系列。

Xilinx：工具工艺制程，可以分为6系（45nm）、7系（28nm）、UltraSCALE（20nm）、UltraSCALE+（16nm），按照型号系列还可以分为Spartan、Artix、Kintex、Virtex等系列，另外还有嵌入式系统开发的Zynq系列。

Intel：Intel目前在售的FPGA产品系列主要有MAX系列、Cyclone系列、Arria系列、Stratix系列、Agilex系列以及SoC FPGA系列产品。

初学者如何选择第一块开发板：初学者一般学生居多，口袋紧张，建议选择Xilinx Spartan6系开发板，或者Intel Cyclone IV开发板，价格应该在200左右或者200多一点。这两种器件应该肯定能够覆盖初学者的设计规模。当然，如果不差钱，可以选择更高级的开发板。
FPGA设计软件的使用和FPGA的设计流程是一致的，所以学会了使用其中的一种软件，再去使用另外的一款软件也能很快上手。

学习FPGA一定要学习FPGA的设计思想以及设计原理，不要纠结于单一的实验平台或者操作软件，因为你想在这个行业越走越高的话，广度和深度都是要有所了解的，初期学习的时候尤其注重动手，选择一款操作平台以及操作软件是为了让你更好的去动手做，而不是让你在这款软件或者实验平台去做文章，因为不懂原理的话，换个环境你同样是什么都不明白。

Xilinx设计软件：

Xilinx目前开发工具包括ISE和Vivado,
ISE® design suite 支持 Spartan®-6、 Virtex®-6、和 CoolRunner™ 器件，及其上一代器件系列。

Vivado® Design Suite ，针对 Virtex-7、Kintex-7、Artix-7、和 Zynq®-7000 起的全新设计。

也就是说如果你用7系以后的器件，请用Vivado，6系及以前器件请用ISE。

ISE和Vivado都有第三方仿真平台的接口，调用最多的第三方仿真软件就是Modelsim，ISim是ISE自身集成的仿真工具，两者功能差不多。用modelsim的人比较多，然后教程也多，容易学。跑大型的工程，Modelsim快很多。所以我们在以后的教程中使用Modelsim演示。

Intel设计软件：

Intel的FPGA软件是Quartus，目前最新的版本已经到了19版本。

分为3个版本：

英特尔® Quartus® Prime 精简版

英特尔® Quartus® Prime 标准版

英特尔® Quartus® Prime 专业版

其中精简版是免费的，无需付费许可，而且内置了modelsim仿真软件。

IP核的FIFO

缓冲数据速率和数据宽度

FIFO就是先进先出队列，一般用于不同时钟之间的数据传输，比如FIFO的一端是采样速率比较慢的接口，假设采样速率是1MHz，另一个是采样快的接口，速率是100MHz。如果直接将这两个接口相连，那会出现很多问题。所以此时可以在这两个不同的时钟域间采用FIFO来作为数据缓冲。

另外，对于不同宽度的数据接口也可以用FIFO，比如一端接口输出数据是8位，另一端数据数据可能是16位，可以在这两个不同宽度的接口中使用FIFO来达到数据匹配。

FIFO核读写操作和RAM核类似，区别是FIFO核读写不需要指定地址，只要读、写使能信号打开，时钟到来，数据就可以读出和写入。RAM核读写需要指定address。