隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA因其高度靈活性和快速原型能力，在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中扮演著越來越重要的角色。本課程將通過一個(gè)具體的實(shí)例——計(jì)算器的設(shè)計(jì)，來詳細(xì)探討FPGA的開發(fā)流程。

FPGA開發(fā)流程通常包括以下幾個(gè)步驟：需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、RTL級(jí)輸入、功能仿真、綜合、布局布線、時(shí)序分析、生成bit流以及上板驗(yàn)證。

1 需求分析

任何成功的工程項(xiàng)目都始于詳盡的需求分析。對(duì)于我們的計(jì)算器項(xiàng)目而言，這一步驟包括：

• 明確開發(fā)目標(biāo)：創(chuàng)建一個(gè)便攜式、低功耗的人機(jī)交互產(chǎn)品。
• 用戶需求評(píng)估：確定設(shè)備應(yīng)具備的功能，如數(shù)字輸入功能、加減乘除以及根號(hào)計(jì)算功能、開機(jī)（ON按鍵）、關(guān)機(jī)（OFF按鍵）、全清（AC按鍵）、位清（→按鍵）的功能等，需要注意這里開機(jī)與全清共用的一個(gè)按鍵，減少接口的消耗。
• 性能指標(biāo)設(shè)定：考慮到便攜性和電池壽命，選擇適合的低功耗FPGA芯片。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于需求分析的結(jié)果，接下來是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體框架。采用自頂向下的方法，我們將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)主要子系統(tǒng)，并進(jìn)一步細(xì)分為更小的功能模塊。對(duì)于計(jì)算器來說，可以將其分為三個(gè)大的子系統(tǒng)：鍵盤輸入、運(yùn)算單元和顯示輸出。每個(gè)子系統(tǒng)再根據(jù)具體功能進(jìn)行細(xì)化，比如運(yùn)算單元內(nèi)部又可以包含整數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算等多個(gè)模塊。

值得注意的是，在最初的設(shè)計(jì)中未考慮開關(guān)機(jī)及清除按鍵的功能模塊。為了完善系統(tǒng)架構(gòu)，我們可以為這些功能添加專門的控制邏輯模塊。例如，創(chuàng)建一個(gè)“狀態(tài)管理”模塊，用于處理ON/OFF按鍵事件以及AC（全部清除）命令。此外，還可以引入一個(gè)“輸入管理”模塊，專門負(fù)責(zé)管理和響應(yīng)用戶通過按鍵發(fā)出的各種指令。

3 RTL級(jí)輸入

完成系統(tǒng)架構(gòu)后，接下來需要實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的具體邏輯。RTL（Register-Transfer Level，寄存器傳輸級(jí)）描述了數(shù)據(jù)在寄存器之間的流動(dòng)方式。

RTL級(jí)輸入主要有三種方式：

1、HDL代碼輸入，包括Verilog與VHDL；

2、原理圖設(shè)計(jì)方式輸入；

3、網(wǎng)表文件和IP核輸入；

三種RTL級(jí)輸入方式可以混合使用。

對(duì)于計(jì)算器項(xiàng)目，我們采取以下策略：

• 對(duì)于復(fù)雜但通用的功能（如浮點(diǎn)運(yùn)算），直接使用廠商提供的IP核；
• 使用HDL代碼自定義實(shí)現(xiàn)非通用功能（如特定的鍵盤映射或顯示格式）；
• 使用HDL語言（如Verilog或VHDL）編寫代碼，或者通過原理圖設(shè)計(jì)頂層連接。

4 功能仿真

此階段的目標(biāo)是確保設(shè)計(jì)滿足所有功能要求，并且沒有明顯的邏輯錯(cuò)誤。功能仿真不僅驗(yàn)證了單個(gè)模塊的行為，還檢查了不同模塊間的接口兼容性，同時(shí)幫助我們?cè)u(píng)估代碼覆蓋率，保證測(cè)試的全面性。

5 綜合

綜合的主要目的是將高層次的設(shè)計(jì)描述轉(zhuǎn)換為詳細(xì)的底層硬件描述，使得設(shè)計(jì)能夠在目標(biāo)FPGA器件上實(shí)現(xiàn)。具體來說，綜合的目標(biāo)包括：

1、門級(jí)網(wǎng)表轉(zhuǎn)化：將設(shè)計(jì)輸入編譯成由與門、或門、非門、RAM、觸發(fā)器等基本邏輯單元組成的門級(jí)網(wǎng)表的過程。

2、邏輯優(yōu)化：在轉(zhuǎn)化的過程中，進(jìn)行優(yōu)化，以提高電路的性能和效率。

6 布局布線

布局布線決定了邏輯單元在FPGA上的物理位置及其間的連接路徑。這是確保信號(hào)能夠正確傳遞的關(guān)鍵步驟。這個(gè)過程包括兩個(gè)主要部分：

布局（Placement）：確定邏輯單元（如查找表LUTs、觸發(fā)器FFs等）在FPGA內(nèi)部的位置。

布線（Routing）：連接這些邏輯單元，確保信號(hào)可以在FPGA內(nèi)的不同位置之間正確傳遞。

7 時(shí)序分析

時(shí)序分析是FPGA設(shè)計(jì)流程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它涉及到驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足所需的時(shí)序要求，確保設(shè)計(jì)能夠在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中正常工作。

在FPGA設(shè)計(jì)中，時(shí)序分析主要包括以下幾個(gè)方面：

1、建立時(shí)間（Setup Time）：信號(hào)必須在時(shí)鐘邊沿之前到達(dá)觸發(fā)器，以便被正確采樣。

2、保持時(shí)間（Hold Time）：信號(hào)在時(shí)鐘邊沿之后必須維持穩(wěn)定一段時(shí)間。

3、時(shí)鐘周期時(shí)間（Clock Period）：也稱為時(shí)鐘周期或時(shí)鐘頻率，決定了系統(tǒng)運(yùn)行的最大速度。

4、傳播延遲（Propagation Delay）：信號(hào)從輸入到輸出的傳播時(shí)間。

每個(gè)FPGA生產(chǎn)廠商都有自己的時(shí)序分析工具，使用時(shí)序分析工具發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的時(shí)序違例后，分析具體的時(shí)序違例路徑，然后針對(duì)性的做出調(diào)整和修改操作。

8 生成比特流

一旦完成了上述所有步驟并且結(jié)果滿意，就可以生成比特流文件。在FPGA設(shè)計(jì)流程中，生成比特流是一個(gè)關(guān)鍵步驟，它將經(jīng)過綜合、布局布線和時(shí)序驗(yàn)證后的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成一種可以直接加載到FPGA硬件上的格式。比特流包含了所有必要的配置信息，用于初始化FPGA的內(nèi)部配置存儲(chǔ)器，使其按照設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。

9 上板驗(yàn)證

最后，在實(shí)際硬件上加載比特流并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面測(cè)試，以確保其按照預(yù)期工作。這一階段的目標(biāo)是確保設(shè)計(jì)在實(shí)際硬件環(huán)境中的工作符合預(yù)期，并解決任何在前期仿真中未能發(fā)現(xiàn)的問題。

上板驗(yàn)證主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

1、功能驗(yàn)證：確保設(shè)計(jì)在真實(shí)硬件環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)所需的功能。

2、性能測(cè)試：測(cè)試設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，如速度、功耗等。

3、接口兼容性：驗(yàn)證設(shè)計(jì)與外部設(shè)備或模塊的接口是否兼容。

4、環(huán)境適應(yīng)性：測(cè)試設(shè)計(jì)在不同工作環(huán)境下的穩(wěn)定性，如溫度、電源電壓等。

在上板驗(yàn)證過程中，如果發(fā)現(xiàn)問題，定位起來通常較為復(fù)雜，需要根據(jù)錯(cuò)誤現(xiàn)象進(jìn)行逐步分析與排查。具體的排查方法將在后續(xù)課程中詳細(xì)介紹，本節(jié)課由于時(shí)間限制暫不展開。

一旦找到錯(cuò)誤的原因，如果是由于RTL級(jí)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的錯(cuò)誤，則需返回RTL級(jí)輸入步驟進(jìn)行修改；如果是其他層面的問題，則需相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。

如果驗(yàn)證通過，那么至此一個(gè)完整的FPGA開發(fā)流程就結(jié)束了。

綜上所述，通過遵循這一系列精心規(guī)劃的開發(fā)流程，我們可以有效地利用FPGA的強(qiáng)大特性來構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。而針對(duì)像計(jì)算器這樣的具體應(yīng)用，理解并實(shí)踐這些步驟不僅能加深對(duì)FPGA技術(shù)的認(rèn)識(shí)，還能提高解決問題的能力。

為了進(jìn)一步提升大家的專業(yè)技能，我們之后還會(huì)發(fā)布一系列相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，涵蓋FPGA的基本原理、設(shè)計(jì)流程、應(yīng)用案例等多個(gè)方面，幫助大家更好地掌握這一前沿技術(shù)。敬請(qǐng)期待！