實際案例說明用基于FPGA的原型來測試、驗證和確認(rèn)IP——如何做到魚與熊掌兼得？

作者：Philipp Jacobsohn，SmartDV首席應(yīng)用工程師

Sunil Kumar，SmartDV FPGA設(shè)計總監(jiān)

本系列文章從數(shù)字芯片設(shè)計項目技術(shù)總監(jiān)的角度出發(fā)，介紹了如何將芯片的產(chǎn)品定義與設(shè)計和驗證規(guī)劃進(jìn)行結(jié)合，詳細(xì)講述了在FPGA上使用硅知識產(chǎn)權(quán)（IP）內(nèi)核來開發(fā)ASIC原型項目時，必須認(rèn)真考慮的一些問題。

全文從介紹使用IP核這種預(yù)先定制功能電路的必要性開始，通過闡述開發(fā)ASIC原型設(shè)計時需要考慮到的IP核相關(guān)因素，用八個重要主題詳細(xì)分享了利用ASIC IP來在FPGA上開發(fā)原型驗證系統(tǒng)設(shè)計時需要考量的因素。同時還提供了實際案例來對這些話題進(jìn)行詳細(xì)分析。

這八個主題包括：一款原型和最終ASIC實現(xiàn)之間的要求有何不同？當(dāng)使用FPGA進(jìn)行原型驗證時會立即想到哪些基本概念？在將專為ASIC而設(shè)計的IP核移植到FPGA架構(gòu)上時通常會遇到哪些困難？為了支持基于FPGA的原型，通常需要對ASIC IP核進(jìn)行哪些更改？我們?nèi)绾未_保在FPGA上實現(xiàn)所需的性能？在時鐘方面必須加以考量的因素有哪些？如果目標(biāo)技術(shù)是FPGA，而不是ASIC，那么需要如何測試IP核的功能？設(shè)計團(tuán)隊最后還應(yīng)該牢記什么？

在以往的文章分析了這八個主題之后，最后將通過一個實際案例來回顧前面講到的八項關(guān)鍵設(shè)計考量因素，并揭示合規(guī)性測試、互操作性測和實現(xiàn)方法，以及從不同的方法可能帶來不同的結(jié)果與目前非常流行的“視點前移（shift left）”模式相結(jié)合來對全文進(jìn)行總結(jié)等精彩內(nèi)容。

作為全球領(lǐng)先的驗證解決方案和設(shè)計IP提供商，SmartDV的產(chǎn)品研發(fā)及工程應(yīng)用團(tuán)隊具有豐富的設(shè)計和驗證經(jīng)驗。在國產(chǎn)大容量FPGA芯片和IP新品不斷面市，國內(nèi)RISC-V CPU等IP提供商不斷發(fā)展壯大的今天，SmartDV及其中國全資子公司“智權(quán)半導(dǎo)體”愿意與國內(nèi)FPGA芯片開發(fā)商、RISC-V IP和其他IP提供商、集成電路設(shè)計中心（ICC）合作，共同為國內(nèi)數(shù)字芯片設(shè)計公司開發(fā)基于本地FPGA的驗證與設(shè)計平臺等創(chuàng)新技術(shù)與產(chǎn)品。

實際案例：使用基于FPGA的方法來確認(rèn)USB 3.2 Gen2x1 Device IP

要實現(xiàn)一個可工作的FPGA原型并不是一件容易的事。通常，工程師的想法是使用合適的FPGA邏輯綜合和布局布線（P&R）工具，將已經(jīng)可用于ASIC技術(shù)的IP核映射到足夠大且快速的FPGA上就足夠了，以達(dá)到一個功能性FPGA實現(xiàn)。這里的要求是所需的功能應(yīng)該即刻可用，并且無需進(jìn)行任何更改。IP核的制造商必須達(dá)到這一期望。畢竟，IP核應(yīng)該能夠集成到現(xiàn)有設(shè)計中，且不會有任何重大的時間延遲。假設(shè)IP供應(yīng)商已經(jīng)提前進(jìn)行了所有必要的測試，以致于將功能集成到現(xiàn)有電路中毫無困難。

然而對于IP提供商來說，將IP核移植到FPGA架構(gòu)中是一個具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)——如果不付出相當(dāng)大的努力，這幾乎是不可能的。事實是，在沒有適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)架構(gòu)和外圍設(shè)備的情況下，測試一個孤立的IP核只有有限的價值。例如，“獨立”實現(xiàn)并不能保證在符合所有規(guī)范的情況下實現(xiàn)所需的功能，特別是在FPGA不僅僅包含孤立IP核的情況下。如果要在FPGA中實現(xiàn)具有高時鐘頻率要求的其他電路部件，這一點尤為重要。

IP制造商面臨的一個特別挑戰(zhàn)是缺乏在后期實現(xiàn)中添加的電路組件的相關(guān)信息，如它們的復(fù)雜性，它們對時鐘速度的要求等。事實上，一個內(nèi)核可能已經(jīng)成功地在與該問題無關(guān)的ASIC流片中使用了很多次。畢竟，IP核不僅要滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范所定義的所有參數(shù)（例如，USB 3.2總線協(xié)議規(guī)范），而且即使將其集成到一個復(fù)雜的整體系統(tǒng)中，該系統(tǒng)被映射到一個可編程器件（即FPGA）上，也仍然要能夠工作。

這樣一個完整系統(tǒng)的復(fù)雜性，加上它的所有組件，如微處理器、信號處理電路和接口，對所需的時鐘頻率是否能夠?qū)崿F(xiàn)以及FPGA提供的資源是否足夠都有重大影響。必須有足夠數(shù)量的等效邏輯門，但其他硬件參數(shù)也有限制，如存儲器資源、時鐘分布組件、高速IO和/或收發(fā)器等。

為了實現(xiàn)可用于在FPGA電路環(huán)境中測試IP核的功能性系統(tǒng)，IP核供應(yīng)商必須考慮的不僅僅是要提供的功能。IP供應(yīng)商可以接觸到自己創(chuàng)建的功能，但不能接觸到IP核用戶使用的開發(fā)和測試環(huán)境，也不能訪問連接最終產(chǎn)品的外設(shè)，并通過這些外設(shè)提供物理輸入信號。同樣，也不能訪問客戶使用的模擬刺激和測試模式生成器。

驗證覆蓋范圍也被視為是至關(guān)重要的；在任何可能的情況下，都應(yīng)該涵蓋極端情況，以避免在使用IP的后續(xù)階段出現(xiàn)令人不快的意外情況。值得注意的是測試用的電路板，通常情況下市場可提供的印刷電路板，與IP核客戶隨后將用于所有測試的電路板都有不同。

在輸出端，可以預(yù)見到的復(fù)雜性并不比輸入信號的供應(yīng)端更低。以USB接口為例，如果實現(xiàn)接口IP，就需要使用外部PHY作為物理接口。因為這是一個模擬接口，在FPGA上不可用，因此必須使用外部組件。這種PHY由各種各樣的制造商提供，盡管希望將USB控制器連接到由最終客戶選擇的外部PHY組件上，不需要對物理接口進(jìn)行任何與電氣特性相關(guān)的更改，如電壓值、擺幅、輸出引腳的驅(qū)動器強(qiáng)度或接口的引腳分配，所有參數(shù)都必須在功能測試中進(jìn)行詳細(xì)驗證。

這是確保物理接口符合所有規(guī)范的唯一方法，并且數(shù)據(jù)傳輸的質(zhì)量也要符合預(yù)期。所有這些功能測試都必須提前進(jìn)行，以保證在交付前的階段就可提供功能。由于IP核必須是通用的，即不同的客戶在不同的應(yīng)用中選擇PHY來配套都可用，測試設(shè)置必須在測試中包括來自不同制造商的許多不同的PHY。

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫也需要一些工作量。當(dāng)然，僅僅提供RTL代碼和相應(yīng)的約束條件是不夠的。為了簡化將IP核集成到現(xiàn)有電路中的工作，通常提供以下數(shù)據(jù)庫：

• Verilog中的RTL設(shè)計
• RTL能夠在客戶選擇的FPGA邏輯綜合工具上可以進(jìn)行綜合
• 具有豁免文件的Lint、CDC和邏輯綜合腳本
• Lint、CDC和邏輯綜合報告
• 如果適用，提供C語音驅(qū)動包（裸機(jī)驅(qū)動）
• 更詳細(xì)的技術(shù)文檔
• 易于使用的、帶有Verilog測試用例的Verilog測試環(huán)境
• IP測試套件
• 為最終用戶集成的IP測試臺
• 用于RTL地址映射的IP-XACT文件
• 帶有豁免的代碼覆蓋率報告
• 如果適用，提供IC設(shè)計文檔/數(shù)據(jù)表

USB 3.2 Gen2x1 Device IP：實現(xiàn)、驗證和確認(rèn)（Validation）

為了確認(rèn)USB 3.2 IP核，需要對現(xiàn)有IP核進(jìn)行大量的更改。包括對RTL代碼本身的更改，以及對物理輸入和輸出的微調(diào)。對RTL代碼的更改是很有必要的，以使時鐘分布和時鐘生成適應(yīng)目標(biāo)FPGA架構(gòu)。為此，額外的、專用于FPGA的庫組件就被實例化，如所謂的數(shù)字鎖相環(huán)（MMCM）。

這時也很有必要將數(shù)據(jù)路徑的總線寬度從32位調(diào)整到64位，否則就不可能控制PIPE接口中的時間沖突。由于對PIPE接口的更改，有可能將FPGA中的時鐘頻率從312.5MHz（32位實現(xiàn)）降低到156.25MHz（64位實現(xiàn)），從而使設(shè)計適用于目標(biāo)FPGA目標(biāo)。最后，F(xiàn)PGA上的布局布線就可以在不存在時間沖突的情況下完成。

除了上述的設(shè)計變更之外，Xilinx / AMD的專有微控制器，即專為該制造商的FPGA開發(fā)的Microblaze處理器也被集成到電路中，以執(zhí)行實驗設(shè)置所需的固件代碼。由于USB 3.2 IP核被配置用于大容量存儲應(yīng)用，因此板載DDR3存儲器被用于外部存儲，該存儲在FPGA本身上不可用，但在選定的原型平臺上可用。USB控制器通過主AXI接口訪問該DDR3存儲器，而USB控制器的核心寄存器由處理器通過AHB從接口訪問。

硬件平臺選擇如下配置：

SmartDV USB 3.2 Gen2x1 Device Controller是為USB大容量存儲應(yīng)用而配置的。它完全符合USB 3.2規(guī)范（rev. 1.0）和USB 2.0規(guī)范（rev. 1.0）。IP內(nèi)核有以下接口：

• USB 3.2 Gen2物理層接口
  -64位PIPE數(shù)據(jù)路徑
• USB 2.0物理層接口
  -16位UTMI兼容接口
• 系統(tǒng)主數(shù)據(jù)路徑接口
  -64位AXI主接口
• 系統(tǒng)從屬寄存器訪問接口
  -32位AHB從屬接口
• EPO處理器接口

除了可用于證明電路功能（包括仿真、CDC檢查、linting）正確性而采用的標(biāo)準(zhǔn)化驗證方法之外，還進(jìn)行了廣泛的測試以確認(rèn)電路的實現(xiàn)。最后，對IP核進(jìn)行了認(rèn)證。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，USB3.2 Gen2大容量存儲設(shè)備進(jìn)行了USB Implementers Forum, Inc.推薦的多項合規(guī)性和互操作性測試，諸如電氣、PHY、鏈路層和強(qiáng)度測試。認(rèn)證測試是在臺灣的Allion實驗室進(jìn)行的，這是一家獲得USB-IF認(rèn)證的機(jī)構(gòu)。SmartDV的器件已與多個第三方主機(jī)進(jìn)行互操作以便進(jìn)行認(rèn)證。

具體采用以下方法進(jìn)行確認(rèn)：

USB 3.2 Device IP合規(guī)性測試

• USBCV第9章合規(guī)性測試（SSP/SS/HS/FS模式）
• 鏈路層合規(guī)性測試（SSP/SS模式）

所有合規(guī)性測試都已成功通過。

USB 3.2 Device IP互操作性測試

• 與USB.org推薦的ASMedia USB 3.2 Gen2 Host進(jìn)行互操作驗證
• 器件列舉測試（采用SSP/SS/HS/FS模式）
• 連接/分離測試
• 使用CrystalDiskMark性能基準(zhǔn)測試工具，來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試（采用SSP/SS/HS/FS模式）
• MSC合規(guī)性測試
• 低功耗測試（睡眠/休眠/冷啟動/熱啟動）
• 金樹（gold tree）互操作性測試（拓?fù)涓模?/li>

所有互操作性測試都已成功通過。

圖1：USB 3.2 Gen2x1 Device IP確認(rèn)平臺框圖

為了確認(rèn)USB 3.2 Gen2x1器件的控制器，使用了來自制造商AMD / Xilinx的現(xiàn)成商用的FPGA平臺。物理接口是通過使用來自M31公司的外部PHY卡來實現(xiàn)。

USB 3.2 Gen2x1 Device IP實現(xiàn)挑戰(zhàn)

在FPGA中實現(xiàn)USB 3.2控制器絕非易事。由于一些時鐘頻率相當(dāng)高，時序收斂并不是一件容易的事；它需要對PIPE接口進(jìn)行設(shè)計更改，并需要在FPGA的邏輯綜合（Synopsys Synplify Premier）和Xilinx/AMD Vivado工具布局和布線功能中進(jìn)行多次迭代。值得注意的是，所選FPGA中的邏輯資源利用率相對較低。

可以假設(shè)，在資源利用率較高的情況下，時序收斂會更加困難?；谶@一假設(shè)，我們注意到市場上在過去一段時間里已經(jīng)出現(xiàn)了一些功能更強(qiáng)大的FPGA器件，如Xilinx/AMD Virtex Ultrascale+/Kintex Ultrascale+、英特爾Stratix-10或Lattice CertusPro-NX，它們都基于比Xilinx/AMD Virtex-7 FPGA更先進(jìn)的工藝技術(shù)，雖然后者在設(shè)計和設(shè)置這些測試的時候仍然是被廣泛使用的器件?？梢苑判牡丶僭O(shè)，使用這些新一代FPGA器件可以更容易地確保實現(xiàn)所需的時序。

Virtex-7 FPGA（xc7vx485tffg1761-2）的資源利用率如下：

通過調(diào)整這兩種工具（Synopsys Synplify Premier和Xilinx/AMD Vivado）的約束和設(shè)置，在不違反時間約束的情況下就可能實現(xiàn)。系統(tǒng)中所使用的時鐘域和對應(yīng)的時鐘頻率如下圖所示：

然而，即使在時序收斂之后，設(shè)計也不會立即出現(xiàn)在板卡上。從PHY接收的數(shù)據(jù)沒有在USB 3.2控制器中正確采樣。因此，有必要部署額外的組件來調(diào)整IO延遲值，以便正確地對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。

總的來說，使USB 3.2控制器能夠與外部PHY互操作是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。除了解決某些互操作性問題外，還需要開發(fā)在Microblaze微控制器上運行所需的固件代碼，以便在大容量存儲應(yīng)用模式下確認(rèn)設(shè)計。

圖2：在SmartDV實驗室中的確認(rèn)和性能測量設(shè)置

電路功能的確認(rèn)，以及所有互操作性和合規(guī)性測試，都是在AMD/Xilinx的標(biāo)準(zhǔn)FPGA板上進(jìn)行的。此外，測試設(shè)置允許我們?nèi)ゴ_定可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)吞吐量。所有的測試和測量都使用了合適的設(shè)備。為了確定可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)吞吐量，我們使用了CrystalDiskMark的性能基準(zhǔn)測試工具。

結(jié)論：魚與熊掌兼得？

部署可同樣用于ASIC和FPGA架構(gòu)的IP核是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此，必須謹(jǐn)慎選擇IP核供應(yīng)商，并全面詢問其在FPGA實現(xiàn)方面的專業(yè)知識。

事實上，即使一款I(lǐng)P核已經(jīng)經(jīng)歷了許多次成功的ASIC流片，并在許多芯片產(chǎn)品中得到了使用，但這并不意味著它可以很容易地用于FPGA。相反，盡管FPGA的復(fù)雜度通常比硬連線器件低很多，它們至少也需要與ASIC同樣的重視程度。其將花費的努力經(jīng)常被低估和忽視，特別是在ASIC開發(fā)在實現(xiàn)和驗證方面捆綁了所有工程資源的時候。這在很大程度上是因為在有時間壓力的情況下，再加上不斷要求產(chǎn)品能夠盡快進(jìn)入市場，所以開發(fā)ASIC時難以對FPGA等可編程器件給予必要的關(guān)注。

事實仍然是，在ASIC驗證中被忽視的錯誤幾乎不可避免地會導(dǎo)致至少需要一次額外的流片，其結(jié)果是導(dǎo)致成本大幅增加和項目嚴(yán)重延遲，這與流行術(shù)語“加快產(chǎn)品上市時間”所描述的完全相反。通過認(rèn)真地使用FPGA原型，實現(xiàn)“一次流片成功”的概率顯著增加，這會帶來許多優(yōu)勢，包括產(chǎn)品更早進(jìn)入市場、研發(fā)團(tuán)隊可以即刻轉(zhuǎn)向新的項目、項目整體成本得以優(yōu)化等。

FPGA原型設(shè)計增加了驗證覆蓋范圍，并增加了在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段發(fā)現(xiàn)錯誤的可能性，從而減少了在后期必須處理的錯誤。當(dāng)然，使用預(yù)定義的和經(jīng)過測試的IP核也提供相當(dāng)大的優(yōu)勢，因為在這里可以預(yù)期更少的意外。通過擴(kuò)展，最佳的IC設(shè)計解決方案則是結(jié)合了作為原型設(shè)計載體的FPGA和經(jīng)硅驗證的IP內(nèi)核，來作為無錯誤實現(xiàn)的保證。使用經(jīng)過試驗和測試的驗證工具及其所有功能，就可以完成其他工作，從而實現(xiàn)早期目標(biāo)并成功完成項目。

現(xiàn)在有一個很流行的術(shù)語可以形容這種方法：視點前移（shift left）。

最后但同樣重要的一點是，我們必須提到快速完成項目最重要的因素：人。經(jīng)驗豐富的專家團(tuán)隊對于電路功能的實現(xiàn)、驗證和確認(rèn)的價值是不言而喻的——這是最主要的成功因素。對于所有的工具、輔助工具和預(yù)定義的電路功能而言，如果你不知道如何高效地組合和使用它們，則它們都是毫無用處的。無論目標(biāo)是ASIC還是FPGA，擁有強(qiáng)大且可靠的合作伙伴、具有必要專業(yè)知識和適當(dāng)經(jīng)驗的專家團(tuán)隊，都是您成功的關(guān)鍵。

雖然電路設(shè)計從來都不是一件容易的事，但選擇合適的合作伙伴肯定會讓您更輕松。

本系列文章的目標(biāo)是全面分享經(jīng)驗，幫助讀者利用ASIC IP來實現(xiàn)完美的FPGA驗證原型。

關(guān)于作者：Philipp Jacobsohn

Philipp Jacobsohn是SmartDV的首席應(yīng)用工程師，他為北美、歐洲和日本地區(qū)的客戶提供設(shè)計IP和驗證IP方面的支持。除了使SmartDV的客戶實現(xiàn)芯片設(shè)計成功這項工作，Philipp還是一個狂熱的技術(shù)作家，樂于分享他在半導(dǎo)體行業(yè)積累的豐富知識。在2023年加入SmartDV團(tuán)隊之前，Philipp在J. Haugg、Synopsys、Synplicity、Epson Europe Electronics、Lattice Semiconductors、EBV Elektronik和SEI-Elbatex等擔(dān)任過多個管理和現(xiàn)場應(yīng)用職位。Philipp在瑞士工作。

關(guān)于作者：Sunil Kumar

Sunil Kumar是SmartDV的FPGA設(shè)計總監(jiān)。作為一名經(jīng)驗豐富的超大規(guī)模集成電路（VLSI）設(shè)計專業(yè)人士，Sunil在基于FPGA的ASIC原型設(shè)計（包括FPGA設(shè)計、邏輯綜合、靜態(tài)時序分析和時序收斂）和高速電路板設(shè)計（包括PCB布局和布線、信號完整性分析、電路板啟動和測試）等方面擁有豐富的專業(yè)知識。在2022年加入SmartDV團(tuán)隊之前，Sunil在L&T Technology Services Limited擔(dān)任過項目經(jīng)理和項目負(fù)責(zé)人職位。Sunil在印度工作。