數字硬件建模SystemVerilog(二)-ASIC和FPGA的建模概念

在進行今天文章之前，先簡單介紹一下SV可綜合概念。

SystemVerilog的RTL綜合子集

SystemVerilog既是一種硬件設計語言，也是一種硬件驗證語言。IEEESystemVerilog官方標準沒有區分這兩個目標，也沒有指定完整SystemVerilog語言的可綜合子集。相反，IEEE讓提供RTL綜合編譯器的公司來定義特定產品支持哪些SystemVerilog語言結構。

由于缺乏SystemVerilog綜合標準，每個綜合編譯器可能支持SystemVerilog標準的不同子集。這意味著設計工程師在編寫用于綜合的SV模型時需要小心。必須參考要使用的綜合編譯器的文檔，并遵循為一個綜合編譯器編寫的編譯器模型的語言子集，使用不同的綜合編譯器可能需要根據綜合器特性進行修改。

接下來看下今天的主角-FPGA建模概念

FPGA的建模

本文的目的是了解SystemVerilog建模風格如何受到ASIC和FPGA技術的影響。有關ASIC和FPGA實現的詳細信息以及這些技術的適當應用留給其他工程書籍討論。然而，為了實現RTL建模最佳實踐的目標，理解ASIC和FPGA的基本概念非常重要。

標準單元ASIC

ASIC是專用集成電路的縮寫。與可執行多種功能（如微處理器）的通用IC不同，ASIC設計用于執行特定任務（因此得名為“application specific”）。控制器、音頻格式轉換和視頻處理是適用于ASIC的示例。ASIC還可以包括一個或多個嵌入式處理器，以便執行特定任務同時可以進行通用操作。帶有嵌入式處理器的ASIC通常被稱為片上系統（SoC，主流設計）。

提供ASIC的公司稱為ASIC供應商（ASIC vendors）。其中一些供應商提供ASIC技術并進行ICs實際制造和生產的一部分。其他ASIC供應商為ASIC提供技術，但將制造和生產留給其他公司。

大多數ASIC技術使用標準單元（standard cells），這些單元是預先設計的邏輯塊，由一到幾個邏輯門組成。ASIC單元庫可能有幾百個標準單元，如AND、NAND、OR、NOR、Exclusive-OR, Exclusive-NOR,2-to-l MUX- 2選1 MUX、D型觸發器、鎖存器等。每個單元都有明確的電氣特性，如傳播延遲、建立和保持時間以及寄生電容。

設計ASIC涉及從庫中選擇合適的單元，并將它們連接在一起以執行所需的功能。在整個過程中使用EDA軟件工具進行設計。ASIC設計的典型流程如圖1-5所示：

圖1-5：典型的基于RTL的ASIC設計流程

圖1-5所示的步驟是：

• 1、當然，第一步是說明設計的意圖。
• 2、所需的功能在抽象的RTL建模級別進行建模。在這個階段，重點是功能，而不是物理實現。
• 3、仿真并驗證功能。
• 4、綜合，將RTL功能映射到適合目標ASIC類型的標準單元。綜合的輸出稱為門級網表（gate-level netlist），該綜合過程在后面有更詳細的描述。
• 5、仿真或邏輯等價檢查器（Logic Equivalence Checkers）（形式驗證的一種形式）用于驗證門級實現在功能上等同于RTL功能。
• 6、時鐘樹合成用于在整個設計中均勻分布時鐘驅動。通常，掃描鏈插入到工具中以增加設計的可測試性。
• 7、Place and route（放置和布線）軟件計算如何在實際硅中布局，以及如何布線。place and route軟件的輸出是一個圖形數據系統文件（GDSII，發音為gee dee ess two）。GDSII是一種二進制格式，其中包含有關實際在硅中構建IC所需的幾何形狀（多邊形polygons）和其他數據的信息。
• 8、進行設計規則檢查（DRC），以確保ASIC制造廠定義的所有規則均得到遵守，如加載門扇出，
• 9、在考慮互連網絡和時鐘樹傾斜的延遲效應后，執行靜態時序分析（STA）以確保滿足建立/保持時間。
• 10、最后一步是將GDSII文件和其他數據發送給制造廠，用于制造ASIC。將這些文件傳遞給制造廠被稱為“taping out”ASIC，因為在ASIC設計的早期，是使用磁帶將這些文件發送給鑄造廠：

在本文中，ASIC設計流程中的這些步驟已被概括。有許多細節被遺漏了，并不是所有的公司都遵循這個確切的流程。有時，步驟9（靜態時序分析）在設計流程的早期執行，并且可能在流程中執行多次。

本文的重點是用于仿真和合成的RTL建模，圖1-5中的步驟2和步驟3。此級別的建模處于設計過程的前端。時鐘樹、掃描鏈和時序分析等設計細節將在設計流程的后面介紹，不在本文的范圍之內。在RTL級別，設計工程師專注于實現所需的功能；而不是實施細節。然而，理解在建模、仿真和合成的前端步驟之后會發生什么仍然很重要。RTL編碼風格會影響設計流程中后期使用的工具的有效性。

還有其他類型的ASIC技術不使用標準單元，如全定制、門陣列和結構化ASIC。SystemVerilog可以以類似的方式用于設計這些其他類型的ASIC，盡管所涉及的軟件工具可能有所不同。所使用的綜合編譯器——以及這些編譯器支持的SystemVerilog語言結構——可能與這些其他技術非常不同。

FPGA

FPGA是現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array）的縮寫。FPGA是一種集成電路，包含固定數量的邏輯塊，可在IC制造后進行重新配置（而ASIC的內容和布局必須在制造前確定）。從歷史上看，FPGA不能包含ASIC那么多的功能，只能以較慢的時鐘速度運行，這是RTL級設計時的重要考慮因素。FPGA技術的最新進展顯著縮小了FPGA和ASIC之間的差異。通常，FPGA可用于實現與ASIC相同的功能。

FPGA包含一系列稱為可配置邏輯塊（CLB）的小型邏輯元件。一些FPGA供應商將這些塊稱為邏輯陣列塊（LABs）。典型的CLB可能包含一個或多個查找表（LUT）、一些多路復用器（MUX）和存儲元件（如D型觸發器）。大多數FPGA中的查找表都是用邏輯運算（如AND、OR和XOR）編程的小型RAM。從LUT中選擇所需的操作允許以多種方式使用CLB，從簡單的AND或XOR門到更復雜的組合功能。某些FPGA中的CLB還可能具有其他功能，例如加法器。MUX允許組合結果直接從CLB輸出（異步輸出），或在存儲單元中輸出（同步輸出）。

FPGA使用包含數百或數千個CLB的陣列進行制造，以及可“編程”到所需CLB配置的可配置互連-FPGA還包含I/O焊盤，可配置為連接到CLB陣列的一列或一行。

復雜FPGA的典型設計流程如圖1-6所示。

圖1-6：典型的基于RTL的FPGA設計

FPGA的前端設計流程類似于ASIC，但后端不同。FPGA的后端部分與ASIC的主要區別在于FPGA的布局和布線。對于ASIC，place and route軟件決定IC的制造方式。對于FPGA，綜合和布局布線軟件詳細說明了如何對FPGA進行編程。本文重點介紹前端步驟2和3，RTL建模和仿真，其中ASIC和FPGA設計之間幾乎沒有區別。

ASIC和FPGA的RTL編碼樣式

理想情況下，相同的RTL代碼可以同時用于ASIC或FPGA。在“RTL級別”工作時，工程重點是設計和驗證功能，而不必關心實施細節。綜合編譯器的作用是將RTL功能映射到特定的ASIC或FPGA技術。

對于ASIC和FPGA來說，大多數（但不是全部）RTL代碼都能很好地綜合。然而，這種普遍性也有例外。RTL模型的一些方面需要考慮設計是在ASIC還是FPGA中進行綜合，這些方面包括：

向量/矢量大小。ASIC在最大矢量寬度和矢量運算方面基本不受限制。在大向量上進行復雜操作需要大量邏輯門，但大多數ASIC中使用的標準單元架構可以適應這些操作。FPGA在這方面比較嚴格。由于可用CLB的數量或CLB之間互連路由的復雜性，預定義的CLB數量及其在FPGA中的位置可能會限制在非常大的向量上實現復雜操作的能力。ASIC和FPGA之間的這種差異意味著，即使在RTL抽象級別，設計工程師也必須牢記設計的功能會受到設備的限制。

復位。大多數ASIC單元庫包括同步和異步復位觸發器。設計工程師可以使用被認為最適合設計的復位類型來編寫RTL模型，一些FPGA沒有那么靈活，只有一種復位類型的觸發器（通常是同步的）。雖然綜合編譯器可以將帶有異步復位的RTL模型映射到門級同步復位中，或者反之亦然，但需要額外的邏輯門。許多FPGA還支持ASIC不具備的全局復位功能和預置上電上電觸發器的狀態。后面會更詳細地討論復位建模。