FPGA構(gòu)造勘察技巧 FPGA Editor提升效率的小訣竅

Clayton Cameron是賽靈思公司在多倫多市的一名資深現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師（FAE）。他于2000年加入賽靈思公司，在賽靈思渥太華的辦公處工作，主要為電信客戶提供支持。作為一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，Clayton為客戶提供支持，幫助他們解決問題。他喜歡這一工作的多樣性以及每天遇到的各種挑戰(zhàn)。業(yè)余時(shí)間，他喜歡健身，還十分享受家庭生活。

工程師在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常需要一定的創(chuàng)造力（你不妨稱之為數(shù)字管道膠帶）才能夠保證設(shè)計(jì)的順利完成。過去8年時(shí)間里，我曾經(jīng)目睹許多優(yōu)秀工程師利用這一方法出色地完成了許多工作，而他們采用的最主要工具就是FPGA Editor。

利用FPGA Editor，你可以察看完成的設(shè)計(jì)并確定是否在FPGA構(gòu)造一級(jí)真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖 – 而這對(duì)于任何工程師或現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師來說都是非常需要的。假設(shè)你拿到協(xié)作者的設(shè)計(jì)，需要對(duì)其進(jìn)行修改，但他們的HDL源代碼非常難于理解，或者根本沒有任何注釋或文檔。也許你只是想將某些時(shí)鐘邏輯鎖定，但卻不知道實(shí)例的名稱或者如何將其鎖在所希望的位置。下面討論的一些用來探查FPGA構(gòu)造以及創(chuàng)建命令行補(bǔ)丁的技巧可以幫助設(shè)計(jì)人員滿足不斷迫近的任務(wù)期限要求。

FPGA構(gòu)造勘察技巧

當(dāng)賽靈思發(fā)布針對(duì)新FPGA器件的工具時(shí)，通常我做的第一件事就是打開FPGA Editor來勘FPGA器件的內(nèi)部構(gòu)造。具體做法是找到Xilinx → ISE →Accessories菜單并點(diǎn)擊FPGA Editor圖標(biāo)，或者在命令行鍵入fpga_editor。圖形用戶界面打開后，在File菜單下選擇New。FPGA Editor會(huì)詢問設(shè)計(jì)文件名稱和物理約束文件。此時(shí)還沒有任何設(shè)計(jì)文件，因此隨便鍵入一個(gè)設(shè)計(jì)文件名（例如，test.ncd），并選擇希望察看的器件類型。FPGA Editor將會(huì)使用同樣的名字作為物理約束文件的名稱，并加載一個(gè)空白設(shè)計(jì)。

另一種方法是編譯隨軟件提供的某個(gè)ISE?工具套件設(shè)計(jì)例子，并將其加載到FPGA Editor中來察看FPGA構(gòu)造。加載一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例可以顯示更多細(xì)節(jié)，并且更容易定位感興趣的項(xiàng)目。

在FPGA Editor中瀏覽只需要記住兩件事：

1、如何利用CTRL / Shift快捷鍵進(jìn)行放大縮小。

2、如果利用F11鍵放大選定的項(xiàng)目。

不使用GUI按鈕快速縮放的方法是，按住Ctrl 和 Shift鍵，然后分別利用鼠標(biāo)左鍵和右鍵進(jìn)入放大和縮小。要想快速找到任何項(xiàng)目，在GUI右上角的列表窗口（List window）中選擇該項(xiàng)目即可。一旦定位了想找的項(xiàng)目，按F11鍵。陣列窗口（Array window）就會(huì)放大顯示該項(xiàng)目。

FPGA Editor有四個(gè)主要窗口：列表（List）、全局（World）、陣列（Array）和塊（Block）。List窗口顯示設(shè)計(jì)中所有活動(dòng)的項(xiàng)目。通過此窗口頂部的下拉菜單可選擇其內(nèi)容 – 列表內(nèi)容包括已經(jīng)布局或還未使用的部件、網(wǎng)絡(luò)或未布線的網(wǎng)絡(luò)等等。

全局視圖窗口（World Windows）始終顯示完整FPGA硅片視圖，這在試圖確定某個(gè)網(wǎng)絡(luò)的布線情況時(shí)非常有用。同時(shí)，陣列窗口（Array window）則是FPGA構(gòu)造和邏輯的動(dòng)態(tài)視圖。如果雙擊Array視圖中的任何項(xiàng)目，會(huì)顯示Block視圖，給出所選擇項(xiàng)目或邏輯單元的詳細(xì)情況。

利用FPGA Editor，你可以察看物理實(shí)施后的設(shè)計(jì)并確定是否在FPGA構(gòu)造一級(jí)真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖 – 而這對(duì)于任何工程師或現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師來說都是非常需要的。

為方便瀏覽或?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行編輯，這些窗口可以復(fù)制。許多情況下，打開第二個(gè)Array窗口會(huì)比較方便同時(shí)在設(shè)計(jì)的兩個(gè)不同部分工作。例如，假設(shè)需要在全局時(shí)鐘緩沖器和芯片底部的觸發(fā)器之間增加一條布線。如果在一個(gè)Array窗口中顯示全局時(shí)鐘緩沖器的輸出，另一個(gè)Array窗口則顯示觸發(fā)器時(shí)鐘輸入，那么會(huì)做起來會(huì)更方便。不然的話就必須來回縮放來定位布線的兩端，顯然這很繁瑣。

在FPGA Editor GUI的右側(cè)是一組由20個(gè)功能按鈕組成的工具條，用于設(shè)計(jì)察看和編輯。通過編輯$XILINX/data目錄下的fpga_editor.ini文件可以增加更多功能按鈕。當(dāng)察看設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)隨時(shí)使用INFO按鈕。該功能會(huì)將所選擇項(xiàng)目的所有信息轉(zhuǎn)錄到控制臺(tái)（Console）窗口。這一功能非常方便，你可以在控制臺(tái)窗口中標(biāo)注數(shù)據(jù)并將其拷貝到其它地方使用，例如編寫UCF約束。

一旦了解了最基本的概念和操作，就可以開始察看FPGA構(gòu)造。通常我都從時(shí)鐘邏輯開始。這包括數(shù)字時(shí)鐘管理器（DCM）、鎖相環(huán)（PLL）、全局時(shí)鐘緩沖器（BUFG）、區(qū)域時(shí)鐘緩沖器（BUFR）、I/O緩沖器（BUFIO）以及不同的時(shí)鐘區(qū)域。（要想按字母列出項(xiàng)目表，可以到LIST窗口點(diǎn)擊Type來排序。）點(diǎn)擊一個(gè)DCM并按F11。ARRAY窗口會(huì)定位到選擇的DCM并放大顯示它。繼續(xù)點(diǎn)擊DCM并觀察GUI底部的Console窗口，其中會(huì)顯示與下面類似的內(nèi)容：

comp “DCM_BASE_inst_star”， site “DCM_ADV_X0Y9”， type = DCM_ADV

（RPM grid X73Y202）

這是有用的數(shù)據(jù)。 拷貝并粘貼上述內(nèi)容到UCF文件中，并作如下更改以鎖定這一DCM邏輯：

INST “DCM_BASE_inst_star”

LOC=DCM_ADV_X0Y9;

利用這一方法，幾乎可以鎖定FPGA中的任何項(xiàng)目。 下面是BUFG鎖定的另一個(gè)例子：

comp “BUFG_inst_star”， site “BUFGCTRL_X0Y20”， type = BUFG （RPM grid X73Y124）

INST “BUFG_inst_star”

LOC=BUFGCTRL_X0Y20;

再次回到List窗口并標(biāo)注同一DCM。 雙擊之后將會(huì)在Block視圖中顯示該DCM以及所有設(shè)置和參數(shù)。這是一項(xiàng)非常強(qiáng)大的功能，可用于FPGA構(gòu)造中的任何邏輯項(xiàng)目。如果選擇一個(gè)邏輯片并雙擊它，就可以看到邏輯片是如何布線連接的，以及是否使用了進(jìn)位鏈或本地觸發(fā)器。

Block視圖的按鈕條包含許多其它選項(xiàng)。值得一提的是 F= button按鈕，其功能是顯示邏輯片中使用的項(xiàng)目的完整配置。例如，如果使用了一個(gè)LUT6和一個(gè)觸發(fā)器，按下F= 按鈕將會(huì)給出LUT的布爾議程以及觸發(fā)器的配置模式。

閱讀賽靈思用戶指南是一回事，而從計(jì)算機(jī)屏幕上展開的視圖上探察所有邏輯、開關(guān)和參數(shù)則是另一回事。一旦熟悉了FPGA構(gòu)造及所有資源，那么在編寫和驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)獲得的幫助將會(huì)令人感到驚奇。

在設(shè)計(jì)流程中記錄生成補(bǔ)丁腳本

當(dāng)用戶在GUI環(huán)境中編輯設(shè)計(jì)時(shí)，F(xiàn)PGA Editor能夠記錄用戶動(dòng)作。用戶不僅可以保存記錄動(dòng)作流程，還可在以后重新使用記錄的腳本并加以重復(fù)。當(dāng)無法更改RTL，但又需要在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時(shí)，這一功能特別有用。假設(shè)設(shè)計(jì)采用了第三方IP或賽靈思加密IP，其中包括一個(gè)全局時(shí)鐘和一個(gè)DCM來生成稱為 interface_clk的時(shí)鐘。然后再假設(shè)接口所連接的ASIC出現(xiàn)問題，無法在預(yù)定的interface_clk的上升沿接收數(shù)據(jù)。如何修正這一問題？

當(dāng)然，你可以改變PCB，更換出現(xiàn)問題的ASIC或者讓第三方IP小組來修改時(shí)鐘輸出邏輯以提供90度相移的interface_clk。所有這些解決方案都既耗費(fèi)時(shí)間又成本高昂。一個(gè)更簡(jiǎn)單的建議是利用FPGA Editor來記錄修改動(dòng)作，對(duì)interface_clk邏輯進(jìn)行必要的更改，從而為出現(xiàn)問題的ASIC提供正確的時(shí)鐘相位。一旦有了相關(guān)修改的FPGA Editor腳本，就可以回放這些命令行腳本記錄的修改步驟，而你也可以正常繼續(xù)你的FPGA設(shè)計(jì)流程。當(dāng)出現(xiàn)問題的ASIC修復(fù)正常以后，你只需要將FPGA Editor腳本從編譯腳本中移除就可以，而interface_clk也會(huì)恢復(fù)其正常的行為。

要想對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行手動(dòng)編輯，首先需要在FPGA Editor中開啟讀/寫（read/write）權(quán)限。在菜單條中點(diǎn)擊File → Main Properties。在此菜單下，可以調(diào)整編輯模式（從No logic Change到Read/Write）。點(diǎn)擊Apply，現(xiàn)在就可以開始對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行編輯了。在下一步利用FPGA Editor記錄對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行的所有修改時(shí)，只需要簡(jiǎn)單地從菜單條中點(diǎn)擊Tools → Scripts →Begin Recording。FPGA Editor將會(huì)提示輸入一個(gè)腳本名字（如patch.scr）。輸完腳本名字，就可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的修改了。

在設(shè)計(jì)中運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）來看一下是否有規(guī)則沖突的紅色標(biāo)志是一個(gè)很好的方式。在我的設(shè)計(jì)例子中，有14條警告，但都可以忽略。下一步我們將需要定位interface_clk使用的DCM，并為此DCM的90度相移輸出創(chuàng)建另一個(gè)稱為DCM_clk90_out的時(shí)鐘。這需要利用全局時(shí)鐘布線資源將時(shí)鐘連接到BUFG。要增加一個(gè)BUFG，先在FPGA構(gòu)造中找到一個(gè)未用的BUFG位置，右擊并選擇 Add（添加）。然后，工具會(huì)提醒你為BUFG命名（clk90_bufg）并確定其類型：BUFG（參見圖1）。

圖1：屬性窗口允許用戶配置并命名選定的邏輯項(xiàng)目

創(chuàng)建了新的BUFG，就需要將其輸入和輸出連接到適當(dāng)?shù)奈恢?。在本例中，DCM的90度相移輸出將驅(qū)動(dòng)BUFG。在窗口Array1中，點(diǎn)擊DCM的90度輸出端衰減器，在窗口Array2中，點(diǎn)擊BUFG的輸入端衰減器，同時(shí)按住Ctrl鍵，可實(shí)現(xiàn)連接。然后釋放Ctrl鍵，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵并選擇Add。工具會(huì)提示為新網(wǎng)絡(luò)連接輸入名字。這樣就將DCM 和 BUFG通過新網(wǎng)絡(luò)連接到一起了（參看圖2）。

圖2：在兩個(gè)邏輯項(xiàng)目中手動(dòng)布線時(shí)，如紅色三角所示，使用兩個(gè)Array窗口可以輕松選擇源頭和目標(biāo)

clk90_bufg的輸出要代替由原interface_clk驅(qū)動(dòng)的IOB上的時(shí)鐘。要將IOB從原來的時(shí)鐘域中移開，需要定位IOB，標(biāo)注時(shí)鐘輸入端衰減器并按下Delete鍵移除這一連接。這樣我們就可以將新的clk90_bufg時(shí)鐘連接到這兒，從而完成整個(gè)補(bǔ)丁。要連接BUFG （clk90_bufg）的輸出，按住Ctrl鍵不放，在窗口Array2中標(biāo)注BUFG的輸出端衰減器并在Array1窗口中選擇IOB的時(shí)鐘輸入。松開Ctrl鍵，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵顯示選項(xiàng)菜單并選擇Add。這樣就最終完成了BUFG輸出和IOB之間的連接，而IOB則用來驅(qū)動(dòng)下游ASIC的新建接口，利用interface_clk90時(shí)鐘就可以正確地捕獲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

這樣就完成了ASIC的補(bǔ)丁?，F(xiàn)在重新運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則（DRC）檢查器，確保沒有引入任何新的錯(cuò)誤。在菜單條中點(diǎn)擊Tools →DRC →Run。

腳本完成并且沒有錯(cuò)誤的情況下，就可以回到菜單選擇Tool →Script →End Recording。這將停止并關(guān)閉腳本記錄過程，下次需要這一ASIC補(bǔ)丁時(shí)你還可以重新利用這一腳本。一個(gè)不錯(cuò)的方法是在文本編輯器中打開腳本文件，將所有GUI Post 和 Unpost命令去除。這些命令并不是必要的，而且留著它們還讓腳本難于閱讀。下面的文本就是我們ASCI補(bǔ)丁的腳本。 如前面所述，內(nèi)容非常直接，易于讀取。

unselect -all

setattr main edit-mode Read-Write

add -s “BUFGCTRL_X0Y28” comp

clk90_bufg ;

setattr comp clk90_bufg type BUFG

unselect -all

select pin ‘BUFGCTRL_X0Y28.I0’

select pin ‘DCM_ADV_X0Y11.CLK90’

add

post attr net $NET_0

setattr net $NET_0 name

DCM_clk90_out

unselect -all

select pin ‘OLOGIC_X0Y2.CLK’

delete

unselect -all

select pin ‘ILOGIC_X0Y3.CLK’

delete

unselect -all

select pin ‘ILOGIC_X0Y3.CLK’

select pin ‘OLOGIC_X0Y2.CLK’

select pin ‘BUFGCTRL_X0Y28.O’

add

post attr net $NET_1

setattr net $NET_1 name

clk90_bufg_out

unselect -all

drc

save -w design “patch.ncd”

“patch.pcf”

exit

end

仔細(xì)看看腳本內(nèi)容，看能否分辨出對(duì)應(yīng)GUI中做的動(dòng)作。

很重要的是，可以從GUI（在菜單條 Tool →Scripts →Playback下）中或命令行回放這一腳本。 要在編譯腳本中加入補(bǔ)丁，只需要增加下面一條命令就可以了：

fpga_edline yourdesign.ncd

yourdesign.pcf -p yourscript.scr

應(yīng)當(dāng)在布局布線（PAR）完成后再執(zhí)行這一命令，即當(dāng)NCD和PCF文件完成后。

FPGA Editor真的是一項(xiàng)強(qiáng)大的用戶工具，盡管并非每個(gè)人都希望或需要在設(shè)計(jì)過程中用到它。 但當(dāng)需要一些特殊處理或需要在某些地方突破規(guī)則以使設(shè)計(jì)功能更強(qiáng)時(shí)，沒有其它工具能夠像FPGA Editor一樣提供如此強(qiáng)大的能力。你的FAE能夠向你展示其功能，展示FPGA Editor如何幫助你完成設(shè)計(jì)調(diào)試和驗(yàn)證，當(dāng)然還包括對(duì)規(guī)則的突破。