针对微控制器应用的采用FPGA的嵌入式应用

功能仿真

功能仿真首先创建一个工作库，设计被编译到该工作库中。仿真器通过图形用户接口、菜单或命令行使该过程更加顺利。这其中包含了设计文档和测试向量(test bench)。测试向量实例化该设计，并将数据加载到输入端。当运行设计时，测试向量被应用于该设计并显示结果(通常以波形的形式)进行分析。

可利用各种仿真器实现设计的功能仿真。如果已对整个系统建模，则可以在系统级进行功能仿真，或者对单个设计单元进行仿真以确保正确的语法和功能已在RTL级建模。在这种特殊情况下，有两家OEM的仿真器可供选择。Aldec公司的Active-HDL Lattice Designer Edition Lite是一种附加的仿真环境。它不但提供混合语言VHDL和Verilog仿真，还可提供面向FPGA设计的可选设计流程。另一种选择是Mentor Graphics的ModelSim，它能够提供VHDL和Verilog语言以及门级时序仿真，以对设计

   

进行完整的仿真和分析。

综合

一旦完成功能仿真，下一步就是综合。综合可以用独立的方式完成，或者在供应商的项目导航工具中作为后台函数运行。综合获取设计、进行逻辑优化并实现工艺映射。独立模式综合的步骤包括建立项目、加入源文件、设置约束、运行设计和分析结果。约束是综合的实现选项，例如扇出限制、使用全局置位/复位。属性则附属于对象，以控制其依附的特定对象的优化、映射和分析。目前可提供两种领先的综合工具。

Precision RTL综合工具是Mentor Graphics公司的重要RTL综合解决方案。利用Precision RTL界面可以很容易地获取有用的特性和工具，例如示意图(RTL/工艺)观察器、约束分析器、PreciseTime(用于高级时序分析)、支持时序调整(re-timing)等等。这些高级工具有助于改进效率并最终优化结果。

Synplicity公司的Synplify综合工具是一款高性能、复杂的逻辑综合引擎，它利用专有的行为提取综合技术(Behavior Extracting Synthesis Technology)提供快速、高效的FPGA和CPLD设计。简单的用户接口和强大的综合引擎结合在一起能迅速提供优化的结果。

设计实现

面向映射、布局和布线(MPAR)的设计实现是利用供应商的工具套件完成。这一工具套件包含用于建立项目的项目导航器(Project Navigator)，以及任何FPGA设计所必需的其它工具。在这种情况下，源文件被放置在左边的窗口，项目处理在右边的窗口进行，但所有的窗口都是可停靠的，以便用户定制任何视图。Log窗口记录所有的处理，并列出在处理过程中产生的全部警告和错误信息。用户可以通过下拉菜单或者工具栏中的图标使用各种工具。图7为Lattice公司ispLEVER工具套件中的Project Navigator。



图7：ispLEVER项目导航器

实现工具(如Design Planner)可提供I/O和引脚设置、物理和逻辑视图以及平面布局。TCL/TK脚本可以运行多次迭代以优化设计。Project Navigator中包含了静态时序、逻辑调试和功率计算工具。

编程软件

设计完成后，通过如图8所示的编程软件对硬件进行编程。这个工具将提供直观的用户界面GUI，可自动对系统主板进行扫描，选择必需的编程文件并执行合适的编程算法。通过供应商提供的SVF文件，该工具支持符合IEEE 1149.1标准的器件编程。对于大多数系统内可编程器件来说，该工具还可以生成IEEE 1532 ISC数据文件。



一旦实现了硬件，设计者将主要关注运行在嵌入式系统上的软件。ISS可用来确定原型功能以及评估对存储器资源的需求。当硬件集成、端口连接以及查找错误均完成之后，通常不需要再更改代码。

在嵌入式系统的FPGA设计流程中，采用汇编器对更改的程序进行再编译，以建立FPGA片上指令或数据存储配置的新存储映像。然后通过一个简单的ECO将映像再次映射至FPGA的存储块。这样设计者就能跳过耗时的综合以及设计流程的布局布线阶段。存储器初始化工具将利用汇编器创建的新型16进制或者2进制映像重写存储器配置。

一旦post-PAR数据库被修改，则只需通过新的编程位流或者JEDEC对FPGA进行再编程。

能够控制内部寄存器以及在设计调试阶段实现寻址是非常有用的。为达到这一目标，OrCAstra或JLINK接口等工具(如图9和图10所示)提供了功能强大、易于使用的方法。



图9：JLINK寄存器文件接口GUI



图10：JLINK Tap控制器接口GUI

本文小结

对于FPGA中的嵌入式微控制器设计而言，一个完整的系统设计需要一批强大的工具。本文中的例子采用了独特的开放源代码微控制器汇编器和指令集仿真工具。领先的第三方厂商可提供综合和仿真工具。用于创建和优化设计的重要实现工具，以及有效的编程和设计调试形成了这一综合设计套件，它是设计获得成功的关键。