基于FPGA的原型能为您做些什么

基于FPGA的原型可满足不同目的需求
原型设计不是一个按几个按钮就能完成的过程，在它不同的阶段需要仔细的关注和思考。除说明这个过程需要完成的工作和涉及到的专业知识外，我们还应解释在 SoC 项目中该进行（或者不该进行）原型设计的原因。

在与原型设计人员多年交谈中，我们最常问到的一个问题是“为什么您这么做？”答案有多种多样，我们把它们总结成了表1中几条常见的理由。系统了解这些项目的目的和我们进行原型设计的原因，将有助于我们判断基于FPGA的原型设计是否能为我们的下一个项目提供帮助。

因此，让我们探究一下表1所述的目的以及基于FPGA的原型方法如何能帮助实现这些目的。

高性能与准确度
只有基于FPGA的原型才能提供正确测试设计各个方面所需的速度和准确度。我们把这个理由放在首位的原因是，虽然项目有许多需要实现的给定目的，但对需要进行原型设计的团队来说，这可能是所有理由中最根本的原因。举例来说，这个团队的目的可能是验证某些SoC的嵌入式软件，观察其在真实硬件上全速运行的情况，但使用原型的根本原因是为了确保高性能与准确度。我们在虚拟系统中可以在更高的性能水平下验证该软件，但我们无法达到使用真实的RTL所能实现的准确度。

实时数据流
难以验证SoC的原因之一是因为其状态取决于许多变量，包括其之前的状态、输入的次序以及更广泛的SoC输出系统效应（以及可能的反馈）。将SoC设计与系统的其他部分相连并以实时速度运行，可以让我们立即观察到实时条件、输入和系统反馈的变化带来的效应。

葡萄牙波尔图市Synopsys公司IP团队开发的HDMI原型中的实时数据流就是一个很好的例子。在本例中，高清(HD)媒体数据流经处理内核的原型输出到高清显示器上，如图1的方框图所示。

图1 HDMI 原型方框图

通过使用投片前的原型，我们可以立即看到和听到不同的高清数据在我们的设计上的效果，反之亦然。只有采用基于FPGA的原型方法才支持这种实时数据流，不仅给此类多媒体应用带来极大好处，也能给许多其他要求对输入数据流做出实时响应的应用带来诸多裨益。

软硬件集成
在上述实例中，读者可能已经注意到原型使用了一块小型MicroBlazeTM CPU，并备有外设和存储器，从而体现了一个 SoC的所有常见模块。在这个设计中，运行在CPU上的软件主要用于加载和控制A/V处理。然而，在许多SoC设计中，软件最耗精力。

鉴于软件已成为SoC开发工作的主体部分，软件工作在项目日程中占据关键位置越来越常见。当SoC能够有效达到量产标准的时候，决定项目实际完成日期的是软件开发和验证工作。在这种情况下，系统开发团队如何才能提升软件开发和验证工作的效率呢？要回答这个问题，我们需要查看软件开发团队把时间都花在什么地方。

为软件开发建立SoC的模型
软件由于自身的复杂性，很难做到完美。对我们在日常使用计算机的过程中遇到的软件升级、服务包和漏洞修补的情况，我们都已经司空见惯。但是，具体到嵌入 SoC 中的软件，这种无休止的软件改进方法就遇到了障碍。另一方面，相比于通用的计算机软件而言，与嵌入式软件互动的系统，其设定的使用模式和环境条件都更容易确定。而且，为较简单的系统开发的嵌入式软件可以比较简单，也就更易于全面验证。举例来说，控制车辆子系统或电子玩具的SoC比在实时操作系统(RTOS)上运行许多应用和流程的智能手机更容易进行全面测试。

如果我们更加仔细地观察运行在这类智能手机上的软件，例如图2所示的Android软件，我们可以看到一种多层布置，这称为软件协议栈。

图2 Android软件协议栈

在观察软件协议栈时，我们会发现，协议栈的最底层——也就是那些最接近硬件的部分，主要是为了满足将软件映射到SoC硬件上的需求。这就需要对硬件有绝对的了解，甚至包括地址和时钟周期等。软件协议栈最底层的设计人员往往称自己为平台工程师，他们的工作就是准确描述硬件，以便协议栈的更高层次能够识别和重复使用。这种描述被某些 RTOS厂商称为板支持包(BSP)，与我们日常使用的 PC 的基本输入/输出系统(BIOS)类似。

协议栈从下往上第二层包含 RTOS的内核以及将较高层次的软件与被描述的硬件相连的必要驱动程序。在这些协议栈的最底层中，平台工程师和驱动程序开发人员需要在真实的SoC或完全准确的SoC模型上验证他们的代码。这个层面的软件开发人员需要全面了解各时钟周期软件的行为。

作为软件开发人员的另一极，在协议栈的顶层，我们可以看到用户空间，在这里可以同时运行多个应用，比如像智能电话中的联系人管理器、视频显示器、互联网浏览器和实际呼叫的电话子系统。这些应用中的每一个都不能直接访问SoC硬件，而且实际上在某种程度上违背了所有硬件考虑事项。这些应用依赖运行在协议栈较低层的软件代表自己与SoC硬件及系统其他部分通信。

我们可以归纳为：在协议栈的每一层，软件开发人员只需要一个足够准确的模型来让自己的代码认为自己运行在目标 SoC上即可。超过必要的准确度只会让模型在模拟器上的运行速度下降。实际上，任何层面的SoC建模，都要求我们把硬件和协议栈描述为比当前层面更低的一层，以便进行验证。而且在理想的情况下，我们应该只要求够用的准确度，以实现最高性能。

这种只为软件层提供“够用的准确度”的建模方法为不同的软件开发人员提供了多种不同的建模环境，供他们在SoC项目的不同阶段使用。可以采用SystemC这样的语言进行事务处理层面的建模，创建出一个准确度低但速度足够快的仿真器模型，用来同时运行许多应用。如果实时的真实数据的处理不是很重要，那么考虑采用虚拟原型方法比较好。

不过，必须完整运行整个软件协议栈或处理真实环境中的数据时，最适合采用基于FPGA的原型方法。

使用原型验证软件的实例
只有采用基于FPGA的原型方法才能够打破建模方法中准确度与性能之间内在的相互牵制关系。采用FPGA，我们既能实现实时的速度，又能以完全的RTL周期精度建模。这样，单个原型不仅能供低层软件验证要求的准确模型使用，又能供高层应用开发人员需要的高速模型使用。实际上，整个SoC软件协议栈都可以在单个基于FPGA的原型上建模。德克萨斯州奥斯汀市Freescale Semiconductor公司移动产品部的Scott Constable及其团队开展的项目就是采用FPGA验证软件的一个很好的例子。

Freescale非常想加快SoC开发进程，因为手机市场上产品生命周期短，需要产品尽快打入市场。这不仅是为了赢得竞争，也是为了避免迅速过时。通过分析流程中耗时最多的环节，Freescale发现通过加快手机3G协议测试工作可以带来最明显的效果。如果测试工作能够在流片前完成，Freescale就可以将项目时间缩短数月。与通常只有一到两年的产品生命周期而言，这非常重要。

协议测试是一个复杂的过程，就算以较高的实时速度进行，也需要一天才能完成。采用FPGA是因为这是实现必要的时钟速度，及时完成测试的唯一途径。