FPGA设计开发软件ISE使用技巧之：ISE软件的设计流程

　　6.3 ISE软件的设计流程

　　Xilinx公司的ISE软件是一套用以开发Xilinx公司的FPGA&CPLD的集成开发软件，它提供给用户一个从设计输入到综合、布线、仿真、下载的全套解决方案，并很方便地同其他EDA工具接口。

　　其中，原理图输入用的是第三方软件ECS;状态图输入用的是StateCAD;HDL综合可以使用Xilinx公司开发的XST、Synopsys公司开发的FPGA Express和Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro等;测试激励可以是图形化的HDL Bencher，也可以由用户提供测试代码;通过ModelSim XE(Xilinx Edition)或ModelSim SE进行仿真。

　　Xilinx为ModelSim预留了接口，可以直接在ISE环境中打开，使用非常方便。并且ModelSim支持综合前、后仿真，以及时序仿真，功能很强大。

　　除了上述软件以外，也可以使用其他公司的相关EDA软件产品。

　　本节将对ISE的软件设计流程做一个全面的介绍。一般来说完整的ISE软件设计流程包括：电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布局布线后仿真与验证以及下载调试等主要步骤，如图6.6所示。

　　具体讲解如下。

　　1.设置工作环境

　　这一步并不是总是需要。通常用在第一次使用ISE或需要对某些项目进行修改时，一般有以下几项需要设置：这些设置主要是在“Edit”/“Preferences”下完成的，如图6.7所示。

　　图6.6 ISE下FPGA设计流程图

　　图6.7 “Preferences”对话框

　　在ISE General中主要有下面几个选项可以进行设置。

　　(1)常用的。这主要是设置项目管理器中文件的显示方式、字体、窗口的显示方式等，一般用默认值就行。

　　(2)图形编辑器(Schematic Editor)。这里可设置跳格键(Tab)的字符个数、编辑器的字体等，另外除了直接用ISE提供的HDL编辑器外，也可以采用第三编辑器，如gvim就是一款非常优秀的代码编辑器，有兴趣的读者可以在网上查阅相关资料。

　　(3)流程设置。

　　(4)工具设置。主要设置仿真器ModelSim、HDL测试台生成工具HDL Bencher、状态图输入工具State CAD的工作目录。其实要设置的就是ModelSim的工作目录，因为后两项通常在安装完后ISE已经设好了。

　　2.新建工程

　　这一步和其他的软件开发一样，ISE要求在对文件进行综合或布线之前必须要有一个存在的工程，在新建工程时，需要设置以下几点。

　　(1)工程名，最好用英文不要有汉字，因为ISE下有些工具对于含有汉字的文件目录支持的不是很好。

　　(2)工程所在目录。ISE所产生的输出文件将全部放在该目录下，但对源文件的目录没有要求。

　　(3)器件家族。即设计中所采用的FPGA是Xilinx的哪一大类。

　　(4)器件型号。具体大类下的哪一种器件，此外还要设置封装和速度等级等，这些信息都可以从芯片上提供的信息直接得到。

　　(5)综合软件。由于ISE预置了4种可选的综合器接口(XST为Xilinx自己开发，FPGA Express是Synopsys公司的OEM版，在安装ISE时就已经装好了。而Synplify/Synplify Pro则需要另外购买并安装)，所以必须选择一种作为该工程的综合器。4种综合器全部支持Verilog和VHDL。但有一点必须注意：如果设计中用到原理图，则只能选择XST或FPGA Express作综合器，因为Synplify Pro不支持原理图方式。

　　3.添加设计源文件

　　如果已有源文件，直接加入即可，否则可采用原理图方式或写HDL代码方式新建文件再加入。ISE下支持多种新建资源类型，包括：User Document(工程说明文件)、VHDL module(VHDL源代码文件)、VHDL Library(VHDL库)、VHDL Package(VHDL包)、VHDL Test Bench(VHDL测试激励)、Verilog Module(Verilog源代码文件)、Corgen Generator(IP核生成工具)、Schematic(原理图)、Test Bench Waveform(测试激励波形)、BMM文件(块RAM映射文件)、State Diagram(状态转移图)、UCF(用户约束文件)等。每种类型的资源在ISE都有对应的处理工具。

　　4.写测试文件

　　这一步可以利用HDL Bencher工具自动产生。测试台的主要功能是给被测实体加上输入激励，再比较其输出是否与期望值一致，并给出一些提示信息。但推荐大家自己写测试代码，通过写代码的测试灵活性更强，而且对于比较复杂的设计，有时在仿真时还需要读取文件数据，或将最终的仿真结果写进文件或打印，这在HDL Bencher下是很难完成的。

　　5.功能仿真

　　利用ModelSim来检查电路仿真结果是否正确。如果编译有错，则先将错误更改。如此反复直到仿真正确为止。这只是用于检查代码有无错误，ModelSim最主要的作用在于通过仿真观察波形来验证设计的功能是否正确，这部分工作对于一个设计来说是非常重要的，因为如果前期的功能仿真做的不到位，会直接影响到最终电路功能的实现，必须在确保功能仿真没有问题的前提下，再进行下面的步骤。

　　6.综合

　　通过这一步将设计转换成具体的电路图。如果设计有错，有可能综合通不过。这就要求用户必须按照可综合代码的风格来设计。另外，综合有很多属性是可以设置的，如果对设计中的某些项目(如速度)有要求的话需要预先设置好。在ISE的高级版本中，XST已经支持Veilog和VHDL混合语言代码输入，XST的输出文件是NGC网表。

　　7.综合后仿真

　　综合实现后要进行综合后仿真，检验综合后功能是否符合设计要求，如果不符合要求要判断是否是原理图设计的问题，进一步对代码进行优化，直到符合设计要求为止。

　　8.设计用户约束文件

　　用户约束文件主要包括时序约束文件和管脚约束文件，时序约束可以在ISE自带的Constraints Editor下完成，管脚约束是在PACE(约束编辑器)下完成的。约束设计完毕生成UCF文件。

　　9.实现

　　所谓实现(Implement)是将综合输出的逻辑网表翻译成所选器件的底层模块与硬件原语，将设计映射到器件结构上，进行布局布线，达到在选定器件上实现设计的目的。实现主要分为3个步骤：翻译(Translate)逻辑网表、映射(Map)到器件单元与布局布线(Place&Route)。

　　10.布局布线后仿真

　　所谓布局布线仿真，是将Xilinx布线所产生的延迟加反标到电路后进行仿真。如果采用ModelSim仿真，在ISE下提供了4个仿真级别：Simulate Behavioral Model(行为仿真)、Simulate Post-Translate Verilog Model(翻译后仿真)、Simulate Post-Map Verilog Model(映射后仿真)、Simulate Post-Place&Route Verilog Model(布局布线后仿真)。

　　布局布线后生成的仿真时延文件包含的时延信息最全，不仅包含门延时，还包括实际布线延时，所以布线后仿真最准确，能较好地反映芯片的实际工作情况。

　　11.下载

　　把Xilinx布线后产生的结果转换成配置文件后置入FPGA中。下载成功后就可以测试实际电路了。如果需要脱机配置，则必须将配置文件写入外置存储器中。下载时需要将器件用JTAG线与PC机连接完成下载。

　　其实上面的10个步骤并不是一定要按部就班，这取决于设计者的熟练程度和设计水平。例如测试台的编写、前仿真、后仿真并不是必须的。但为了保证设计的正确性和节约查错所耗的时间，推荐设计者一步一步操作，这样能够及时发现错误及时更正。

　　ISE软件一个特点就是具有良好的开发界面，新建一个工程后，在“Processes for Source”对话框中即罗列出了ISE下FPGA设计流程中的各个环节，如图6.8所示，读者可将图中标注的内容与上面介绍的FPGA的设计流程中的各个步骤相对应，可以看出，界面上列出了设计流程的各个步骤，设计时只需要按照顺序依次实现就可以了，操作很简便。

　　图6.8 设计流程在ISE界面下的体现

　　由于ISE提供的集成开发环境非常好用，故推荐从ISE中来启动其他程序，当然也可以在各自的软件环境中完成上述步骤。

　　例如在Synplify中建工程、输入文件和综合，在ModelSim中新建工程并做仿真，用Xilinx的Design Manager(这个程序在ISE中是找不到的，因为ISE是通过命令行方式调用该程序使其在后台运行，但可以在安装目录下找到它)，再运行JTAG编程器下载。

　　本节对ISE的FPGA设计流程做了一个简单的介绍，读者可对照2.6节加深对这一流程的理解。