基于FPGA的ASIC協同原型驗證設計方案

鑒于芯片設計的復雜度提升， 成功設計一個芯片所牽扯的步驟與過程也愈加復雜，所需花費的資金也成倍增加，一個典型的芯片開發項目的周期和花銷如下所示

可以見到在芯片制造出來之前，很多精力會花費在RTL代碼驗證工作上，另外軟件的相關開發工作，也會在得到芯片前開始，這2方面都需要借助FPGA原形來模擬芯片的行為，幫助硬件開發和軟件開發者，共同提升工作效率。

FPGA原型在數字芯片設計中，基本是必不可少的，原因非常明顯，相比用仿真器，或者加速器等來跑仿真，FPGA的運行速度，更接近真實芯片，可以配合軟件開發者來進行底層軟件的開發。當然FPGA原型作為芯片的替身，也是有諸多限制的，比如規模限制，速度限制，功耗限制，結構限制等，在使用FPGA原型作為芯片的替代時，需要進行相應的修改，才能完成相應功能，甚至有些功能最終無法覆蓋。

如果對FPGA中可以映射為ASIC的資源做逐一對比，我們可以得到這樣的表格。

以上表格看出，除了普通的RTL邏輯以及基本端口，其他的類似存儲時鐘DSP等，最好都是做手動修改進行映射，把ASIC設計轉換為FPGA比較靠譜。

要把一塊ASIC做出FPGA的原型，需要大致一下步驟，

1 FPGA選型

2 做板或者購買原型板。

3 將ASIC設計轉換裝入FPGA

4 調試啟動FPGA原型

5 載入軟件協同運行

6 軟硬件系統驗證

下文就按照這些步驟逐一討論：

第一個就是FPGA的選型問題，在選型前，當然需要對ASIC的設計進行大致的了解，包括以下各方面：

選型問題最關心的幾個維度：

1 容量 其中包括純邏輯容量，存儲容量，dsp單元容量這些

2 內置IP 包括時鐘，存儲控制，cpu等的硬核

3 接口 普通接口與專用高速接口

4 速度 資源占用率在50%左右時的速度，一般被用來評估原型

其中純邏輯容量，也就是ASIC中組合電路與觸發器的容量，是可以直接與FPGA中的資源換算的。

比如上圖xilinx V7 2000T中有2.4M FF，大致對應ASIC的2輸入與非門10M gates，如果使用率按照50%算，大概放置5M邏輯門沒問題。

內置的存儲器，可以實現21M的單雙端口ram，rom，fifo等，如果ASIC中使用的存儲稍微多一點，也可以用lut實現部分的存儲，替代block ram。

如果使用較多乘加運算，也可以映射fpga中的dsp器件實現，具體各種型號的FPGA包含多少器件，可以參考xilinx文檔。

對于內置ip，最先要考慮的，就是時鐘模塊MMCM，一般FPGA會有幾個到幾十個時鐘模塊，例如下表2000T中包含24個CMTs，也就是24個PLL和MMCM，每組PLL和MMCM可以對一個時鐘域的時鐘進行分頻倍頻。一般ASIC會包含多個時鐘域，每個時鐘域至少需要一個CMTs對時鐘進行操作，可以據此選擇使用哪個FPGA器件。

如要選擇帶有ARM硬核的FPGA來模擬ASIC中的ARM核，則需要選擇zynq系列。系統中自研的邏輯，則通過AXI掛入總線中，當然這樣未必能使FPGA與ASIC中的系統完全一致，但是作為一個圓形，也是足夠的，以下是部分帶有ARM核的FPGA的容量以及相應IP情況

對于接口的限制，一般FPGA的普通接口數量夠大，不會成為瓶頸，主要在于ASIC所需的特定接口，在FPGA中是否能夠滿足，很多時候這些特定接口需要外接phy才能完成相應功能。

影響FPGA最終運行速度的因素很多，包括代碼風格，具體設計，資源占用率，FPGA型號等，所以這需要在RTL代碼基本框架完成后，通過工具綜合才能得到一個大致數值，所以作為ASIC原型，盡量選擇速度夠快的FPGA。

通過以上限定條件，基本可以選出使用哪種FPGA型號，但是可能ASIC資源占用太多，任何一種都裝不下，這就有2種解決方式了。一種是分塊分別驗證，當然這樣風險極高，且沒法直接驗證最終系統。

另外就是使用多片FPGA得到原型，這就要涉及不同FPGA之中功能劃分的問題，這個是比較麻煩且有難度的事情，對FPGA電路設計，以及ASIC到FPGA的代碼轉換，都有挺多新問題。

第2步就是制版，這需要考量的方面也是相當多，比如信號完整性，電源問題，時鐘問題，可擴展性等，本人對此沒有直接經驗，也就無從展開。當然對于需要多個FPGA的驗證板，一般實力的團隊，未必能搞定,所以選擇花錢買平安，直接選用類似HAPS這樣的驗證系統，可能更靠譜。

第3步就是ASIC的設計裝入FPGA。這需要對原本面向ASIC的代碼，進行修改。

對于一般的純RTL邏輯，在ASIC中與FPGA中都可以綜合出可用結果，但是以下表中的器件，需要修改

芯片中的pad，一般是fab廠給出的硬核，具有輸入輸出，驅動上下拉控制等。在轉換成FPGA時，一般會在例化中直接用assign替代，并.XDC或者.v中指定上下拉等

如果有ASIC門級網表，可以把底層ASIC實例器件用verilog行為描述替換，在FPGA綜合中則可以對應實現。其他的簡單cell例化，也可以這樣轉換一下。

對于存儲器，一般可以在FPGA中找到與ASIC功能一致的SRAM，ROM ，可以直接把FPGA MEM 外包一層改變端口名字，替代ASIC MEM。小的嵌入flash，則可以把FPGA的SRAM包一層邏輯來模仿。

其他的硬核IP， 可能需要在FPGA中尋找功能一致的，并相應修改接口，與ASIC代碼中其他部分有效連接。

對于BIST，最直接的辦法是去除，一般不會影響實際功能。

對于各種門控時鐘，倍頻分頻等，一般需要針對FPGA做手動修改，使用DCM完成與芯片中時鐘一致的行為。

以下就一些修改中會出現的具體問題，詳細說明。

首先我們拿到的ASIC設計的結構，基本如下圖所示，最外一圈是各種pad ring，里邊先是芯片的各種輔助功能，包括 clk， rst， power， test，debug等。然后是與芯片實際功能相關的部分，可能包括部分模擬電路，數字電路包括cpu，mem 總線，各種邏輯控制等。我們需要明確用FPGA來原形驗證的，主要是數字電路中的那些核心功能，芯片核心外部的那些輔助邏輯，很多是需要修改的，也是無法得到驗證的。這里的pad一般直接在FPGA中直接去例化一個包含幾個assign語句的 FPGA PAD 等效實例，clk rst 需要根據具體上電順序，時鐘資源做調整，一般會對rst功能進行簡化，做成一個全局復位，clk中的分頻與關斷功能會放在CMT中實現。power控制，一般在FPGA中直接忽略，因為用FPGA幾乎無法模擬各種UPF指定的行為。debug test可以根據實際情況保留或者去除，但是即使保持，一般也不會真的去用。核心功能中需要更改的，一般就是各種內部存儲器了。

時鐘門控 clock gating 一般在ASIC中廣泛使用，一般會在clk模塊中例化成由latch與門組成的門控單元，對某個模塊進行時鐘控制。這些門控單元，如果直接在FPGA中例化為相同邏輯的latch與門，邏輯功能是沒有問題的。但是這時與門出來的受控時鐘，則不能再FPGA的專用時鐘網絡中走線，而是走普通的信號網絡，這樣FPGA能達到的頻率很差。為了糾正這樣情況，可以把對寄存器的門控，放在寄存器端，也就是選用FPGA中行如FDCE這樣帶門控的寄存器。這個過程可以手動完成，但是比較麻煩，一般來說專門的FPGA綜合工具能做這種自動轉換。比如 vivado中使用 (* gated_clock = "true" *) input clk_a; 標定受控時鐘，并在腳本加入 -gated_clock_conversion on 綜合選項。

當然如果需要的可控時鐘不太多，也就是少于FPGA中BUFGCE的數量，則可以直接把門控信號加在 BUFGCE的控制端，輸出就是走時鐘網絡的門控信號了。如果FPGA器件中有 BUFHCE，則可以對更多層級的時鐘進行門控，也就可以得到更多的受控時鐘。

有關FPGA門控時鐘的更詳細解釋，可以參照 https://forums.xilinx.com/t5/General-Technical-Discussion/Reg-Clock-gati...

ASIC轉變到FPGA使用的綜合約束，在SDC與XDC基本相容，例如

這些都可以直接使用，當然很多情況下FPGA還是不可能跑到ASIC速度，必須降速運行。另外還需要添加FPGA中對管腳位置，類型，驅動強度等的約束，以及一些綜合選項

以上即為對ASIC代碼更改的主要部分，在下到FPGA板調試前，最好對更改的FPGA代碼進行仿真，確認功能正常，減少上板調試的工作量。

第4步為啟動調試FPGA原型。

在把修改后的FPGA代碼裝入調試前，先需要保證FPGA板本身是正?？捎玫?，這時如果是外購的開發板或者類似haps的驗證系統，則會省去一些麻煩。

如果是頭次開發的FPGA板，則需要先裝入一個最簡單的FPGA鏡像文件，測試一下FPGA的電源供電，下載連接是否可用，然后通過幾個用于測試的FPGA文件，測試下板上與FPGA連接的其他器件是否正常工作。一般頭次設計的板子，多少會有各種問題，比如電源供電問題，管腳連接的差分信號匹配問題，阻抗匹配，電流驅動，信號質量等問題 如果板子通過了以上測試，則可以認為電路硬件設計沒有問題，可以裝入FPGA原形文件進行測試了。

裝入修改了的FPGA原型模擬ASIC，一般不會一次成功，一般出現的問題可以分為以下三類：

1 RTL邏輯錯誤，包括原本ASIC既有的和修改過程引入的錯誤。

2 接口錯誤 與外部器件的電信號連接錯誤，包括電壓不匹配，驅動電流不一致等。

3 軟件錯誤 MCU運行的軟件沒有正確配置相關功能導致，這種一般在仿真中難以發現，因為仿真很少運行真正的軟件系統。

對fpga原型的板上調試，可以歸納為以下步驟。

當載入實際運行的軟件后，通過FPGA原型，就可以如同在實際芯片中一樣，對軟件進行測試修改，同時完成系統級的驗證工作了。也就進入了步驟5.6，這與普通的嵌入式軟件開發大致相同。

對于通過FPGA進行原型驗證，有以下設計流程上的建議，值得參考

以上參考了xilinx網站內容，以及FPMM等書。

編輯：hfy