FPGA验证简介

小黄豆

FPGA验证简介

验证，顾名思义就是通过仿真、时序分析、上板调试等手段检验设计正确性的过程，在FPGA/IC开发流程中，验证主要包括功能验证和时序验证两个部分。为了了解验证的重要性，我们先来回顾一下FPGA开发的整个流程。FPGA开发流程和IC的开发流程相似，主要分为以下几个部分：

  1）设计输入，利用HDL输入工具、原理图输入工具或状态机输入工具等把所要设计的电路描述出来；
  2）功能验证，也就是前仿真，利用Modelsim、VCS等仿真工具对设计进行仿真，检验设计的功能是否正确；常用的仿真工具有Model Tech公司的ModelSim，Synopsys公司的VCS，Cadence公司的NC-Verilog和NC-VHDL，Aldec公司的Active HDL VHDL/Verilog HDL等。仿真过程能及时发现设计中的错误，加快了设计进度，提高了设计的可靠性。
  3）综合，综合优化是把HDL语言翻译成最基本的与或非门的连接关系（网表），并根据要求（约束条件）优化所生成的门级逻辑连接，输出edf和edn等文件，导给CPLD/FPGA厂家的软件进行实现和布局布线。常用的专业综合优化工具有Synplicity公司的synplify
/Synplify Pro、Amplify等综合工具，Synopsys公司的FPGA Compiler II综合工具（Synopsys公司将停止发展FPGA Express软件，而转到FPGA Compiler II平台），Exemplar Logic公司出品的LeonardoSpectrum等综合工具。另外FPGA/CPLD厂商的集成开发环境也带有一些综合工具，如Xilinx ISE中的XST等。
  4）布局布线，综合的结果只是通用的门级网表，只是一些门与或非的逻辑关系，与芯片实际的配置情况还有差距。此时应该使用FPGA/CPLD厂商提供的实现与布局布线工具，根据所选芯片的型号，进行芯片内部功能单元的实际连接与映射。这种实现与布局布线工具一般要选用所选器件的生产商开发的工具，因为只有生产者最了解器件内部的结构，如在ISE的集成环境中完成实现与布局布线的工具是Flow Engine。
  5）时序验证，其目的是保证设计满足时序要求，即setup/hold time符合要求，以便数据能被正确的采样。时序验证的主要方法包括STA（Static Timing Analysis）和后仿真。在后仿真中将布局布线的时延反标到设计中去，使仿真既包含门延时，又包含线延时信息。这种后仿真是最准确的仿真，能较好地反映芯片的实际工作情况。仿真工具与综合前仿真工具相同。
  6）生成并下载BIT或PROM文件，进行板级调试。

在以上几个主要开发步骤当中，属于验证的有功能仿真和时序验证两个步骤，由于前仿真和后仿真涉及验证环境的建立，需要耗费大量的时间，而在STA中对时序报告进行分析也是一个非常复杂的事情，因此验证在整个设计流程中占用了大量的时间，在复杂的FPGA/IC设计中，验证所占的时间估计在60％～70％之间。相比较而言，FPGA设计流程的其他环节由于需要人为干预的东西比较少，例如综合、布局布线等流程，基本所有的工作都由工具完成，设置好工具的参数之后，结果很快就可以出来，因此所花的时间精力要比验证少的多。

  一般而言，在验证的几个内容中功能验证最受重视，研究讨论得最多，特别是现在FPGA/IC设计都朝向SOC（System On Chip，片上系统）的方向发展，设计的复杂都大大提高，如何保证这些复杂系统的功能是正确的成了至关重要的问题。功能验证对所有功能进行充分的验证，尽早地暴露问题，保证所有功能完全正确，满足设计的需要。任何潜在的问题都会给后续工作作带来难以极大的困难，而且由于问题发现得越迟，付出的代价也越大，这个代价是几何级数增长的。这里将以功能验证为主说明验证方法、工具、验证环境的建立。
  
  做功能验证时，需要建立验证环境，以便对设计（DUT/DUV，Design Under Test/ Verification）施加特定的输入，然后对DUT的输出进行检查，确实其是否正确。在实际验证工作中，一般采用由TESTBENCH 和DUT(design under test)组成的Verification体系，如图1所示。

  这是验证系统普遍适用的模型，Testbench为DUT提供输入，然后监视输出，从而判断DUT工作是否正确。注意到这是一个封闭的系统，没有输入也没有输出。验证工作的难度在于确定应该输入何种激励，相应的正确的输出应该是怎样的。下一篇我们看个具体的例子。

关于时序分析的材料

STA的意思是静态时序分析（Static Timing Analysis），做FPGA设计时是必须的一个步骤，事实上大家一般都已经做了这一步，我们在FPGA加约束、综合、布局布线后，会生成时序分析报告（在ISE中可以运行Timing Analyzer生成详细的时序报告）， 设计人员会检查时序报告、根据工具的提示找出不满足setup/hold time的路径，以及不符合约束的路径，这个过程就是STA。

细致全面的STA可以保证设计的时序符合要求，只要代码robust（综合结果符合设计原意），可以省略后仿真。
功能仿真加STA（静态时序分析）并不能涵盖后仿真的作用，因为后仿真事实上有检验综合结果是否正确的作用，而功能仿真正确并不能保证综合结果和RTL设计人员的原意一样，综合器能正确综合的前提是RTL代码编写具有良好的代码风格，例如if-else语句完整、case语句完整、组合逻辑敏感列表完整，只有在这样的条件下，综合结果才有保障，否则即使功能仿真正确，综合出来的电路的功能不一定正确。对于综合过程出现的偏差，后仿真可以发现，因为后仿真实质上门级仿真，可以同时检验功能和时序是否正确，后仿真验证能保证实现结果是正确的。后仿真的不足之处在于仿真速度比较慢，因此如果不想做后仿真，对FPGA设计来说，可以做功能仿真、综合后仿真和STA，对IC设计可以做功能仿真、形式验证和STA。

另外需要注意的是,加时序约束要完整,因为STA根据时序约束做检查,如果约束不正确,STA结果就不准确.经常会出现功能验证正确而后仿真结果不正确的问题，一般是由setup time/hold time不满足等时序问题引起的，说明在综合与布局布线过程中没有进行约束或者约束条件不完全，导致STA分析结果不准确、不完全。
例如设计存在两个时钟域，一个快、一个慢，附加约束时一般要最设计整体附加较松的约束，再对局部附加较紧的约束，然后再对慢时钟和快时钟之间的路径进行约束，这一般也是较紧的约束，如果忘了最后一部分约束，那么STA会认为设计人员对这部分路径没有要求，因而不分析这部分路径，这样即使这部分路径的延迟非常大，STA也不会提示错误，但是后仿真就会出现问题。

总而言之,对FPGA设计来说,只有正确地完成综合后仿真(以保证综合结果正确)和STA,才能省略后仿真,否则后仿真仍然是必要的.