ASIC和FPGA区别及建模概念

数字硬件建模SystemVerilog(二)-ASIC和FPGA的建模概念

 

在进行今天文章之前，先简单介绍一下SV可综合概念。

SystemVerilog的RTL综合子集

SystemVerilog既是一种硬件设计语言，也是一种硬件验证语言。IEEE SystemVerilog官方标准没有区分这两个目标，也没有指定完整SystemVerilog语言的可综合子集。相反，IEEE让提供RTL综合编译器的公司来定义特定产品支持哪些SystemVerilog语言结构。

由于缺乏SystemVerilog综合标准，每个综合编译器可能支持SystemVerilog标准的不同子集。这意味着设计工程师在编写用于综合的SV模型时需要小心。必须参考要使用的综合编译器的文档，并遵循为一个综合编译器编写的编译器模型的语言子集，使用不同的综合编译器可能需要根据综合器特性进行修改。

接下来看下今天的主角-FPGA建模概念

FPGA的建模

本文的目的是了解SystemVerilog建模风格如何受到ASIC和FPGA技术的影响。有关ASIC和FPGA实现的详细信息以及这些技术的适当应用留给其他工程书籍讨论。然而，为了实现RTL建模最佳实践的目标，理解ASIC和FPGA的基本概念非常重要。

标准单元ASIC

ASIC是专用集成电路的缩写。与可执行多种功能（如微处理器）的通用IC不同，ASIC设计用于执行特定任务（因此得名为“application specific”）。控制器、音频格式转换和视频处理是适用于ASIC的示例。ASIC还可以包括一个或多个嵌入式处理器，以便执行特定任务同时可以进行通用操作。带有嵌入式处理器的ASIC通常被称为片上系统（SoC，主流设计）。

提供ASIC的公司称为ASIC供应商（ASIC vendors）。其中一些供应商提供ASIC技术并进行ICs实际制造和生产的一部分。其他ASIC供应商为ASIC提供技术，但将制造和生产留给其他公司。

大多数ASIC技术使用标准单元（standard cells），这些单元是预先设计的逻辑块，由一到几个逻辑门组成。ASIC单元库可能有几百个标准单元，如AND、NAND、OR、NOR、Exclusive-OR, Exclusive-NOR,2-to-l MUX- 2选1 MUX、D型触发器、锁存器等。每个单元都有明确的电气特性，如传播延迟、建立和保持时间以及寄生电容。

设计ASIC涉及从库中选择合适的单元，并将它们连接在一起以执行所需的功能。在整个过程中使用EDA软件工具进行设计。ASIC设计的典型流程如图1-5所示：

 

图1-5：典型的基于RTL的ASIC设计流程

图1-5所示的步骤是：

• 1、当然，第一步是说明设计的意图。
• 2、所需的功能在抽象的RTL建模级别进行建模。在这个阶段，重点是功能，而不是物理实现。
• 3、仿真并验证功能。
• 4、综合，将RTL功能映射到适合目标ASIC类型的标准单元。综合的输出称为门级网表（gate-level netlist），该综合过程在后面有更详细的描述。
• 5、仿真或逻辑等价检查器（Logic Equivalence Checkers）（形式验证的一种形式）用于验证门级实现在功能上等同于RTL功能。
• 6、时钟树合成用于在整个设计中均匀分布时钟驱动。通常，扫描链插入到工具中以增加设计的可测试性。
• 7、Place and route（放置和布线）软件计算如何在实际硅中布局，以及如何布线。place and route软件的输出是一个图形数据系统文件（GDSII，发音为gee dee ess two）。GDSII是一种二进制格式，其中包含有关实际在硅中构建IC所需的几何形状（多边形polygons）和其他数据的信息。
• 8、进行设计规则检查（DRC），以确保ASIC制造厂定义的所有规则均得到遵守，如加载门扇出，
• 9、在考虑互连网络和时钟树倾斜的延迟效应后，执行静态时序分析（STA）以确保满足建立/保持时间。
• 10、最后一步是将GDSII文件和其他数据发送给制造厂，用于制造ASIC。将这些文件传递给制造厂被称为“taping out”ASIC，因为在ASIC设计的早期，是使用磁带将这些文件发送给铸造厂：

在本文中，ASIC设计流程中的这些步骤已被概括。有许多细节被遗漏了，并不是所有的公司都遵循这个确切的流程。有时，步骤9（静态时序分析）在设计流程的早期执行，并且可能在流程中执行多次。

本文的重点是用于仿真和合成的RTL建模，图1-5中的步骤2和步骤3。此级别的建模处于设计过程的前端。时钟树、扫描链和时序分析等设计细节将在设计流程的后面介绍，不在本文的范围之内。在RTL级别，设计工程师专注于实现所需的功能；而不是实施细节。然而，理解在建模、仿真和合成的前端步骤之后会发生什么仍然很重要。RTL编码风格会影响设计流程中后期使用的工具的有效性。

还有其他类型的ASIC技术不使用标准单元，如全定制、门阵列和结构化ASIC。SystemVerilog可以以类似的方式用于设计这些其他类型的ASIC，尽管所涉及的软件工具可能有所不同。所使用的综合编译器——以及这些编译器支持的SystemVerilog语言结构——可能与这些其他技术非常不同。

FPGA

FPGA是现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）的缩写。FPGA是一种集成电路，包含固定数量的逻辑块，可在IC制造后进行重新配置（而ASIC的内容和布局必须在制造前确定）。从历史上看，FPGA不能包含ASIC那么多的功能，只能以较慢的时钟速度运行，这是RTL级设计时的重要考虑因素。FPGA技术的最新进展显著缩小了FPGA和ASIC之间的差异。通常，FPGA可用于实现与ASIC相同的功能。

FPGA包含一系列称为可配置逻辑块（CLB）的小型逻辑元件。一些FPGA供应商将这些块称为逻辑阵列块（LABs）。典型的CLB可能包含一个或多个查找表（LUT）、一些多路复用器（MUX）和存储元件（如D型触发器）。大多数FPGA中的查找表都是用逻辑运算（如AND、OR和XOR）编程的小型RAM。从LUT中选择所需的操作允许以多种方式使用CLB，从简单的AND或XOR门到更复杂的组合功能。某些FPGA中的CLB还可能具有其他功能，例如加法器。MUX允许组合结果直接从CLB输出（异步输出），或在存储单元中输出（同步输出）。

FPGA使用包含数百或数千个CLB的阵列进行制造，以及可“编程”到所需CLB配置的可配置互连-FPGA还包含I/O焊盘，可配置为连接到CLB阵列的一列或一行。

复杂FPGA的典型设计流程如图1-6所示。

 

图1-6：典型的基于RTL的FPGA设计

FPGA的前端设计流程类似于ASIC，但后端不同。FPGA的后端部分与ASIC的主要区别在于FPGA的布局和布线。对于ASIC，place and route软件决定IC的制造方式。对于FPGA，综合和布局布线软件详细说明了如何对FPGA进行编程。本文重点介绍前端步骤2和3，RTL建模和仿真，其中ASIC和FPGA设计之间几乎没有区别。

ASIC和FPGA的RTL编码样式

理想情况下，相同的RTL代码可以同时用于ASIC或FPGA。在“RTL级别”工作时，工程重点是设计和验证功能，而不必关心实施细节。综合编译器的作用是将RTL功能映射到特定的ASIC或FPGA技术。

对于ASIC和FPGA来说，大多数（但不是全部）RTL代码都能很好地综合。然而，这种普遍性也有例外。RTL模型的一些方面需要考虑设计是在ASIC还是FPGA中进行综合，这些方面包括：

向量/矢量大小。ASIC在最大矢量宽度和矢量运算方面基本不受限制。在大向量上进行复杂操作需要大量逻辑门，但大多数ASIC中使用的标准单元架构可以适应这些操作。FPGA在这方面比较严格。由于可用CLB的数量或CLB之间互连路由的复杂性，预定义的CLB数量及其在FPGA中的位置可能会限制在非常大的向量上实现复杂操作的能力。ASIC和FPGA之间的这种差异意味着，即使在RTL抽象级别，设计工程师也必须牢记设计的功能会受到设备的限制。

复位。大多数ASIC单元库包括同步和异步复位触发器。设计工程师可以使用被认为最适合设计的复位类型来编写RTL模型，一些FPGA没有那么灵活，只有一种复位类型的触发器（通常是同步的）。虽然综合编译器可以将带有异步复位的RTL模型映射到门级同步复位中，或者反之亦然，但需要额外的逻辑门。许多FPGA还支持ASIC不具备的全局复位功能和预置上电上电触发器的状态。后面会更详细地讨论复位建模。