從ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案

在集成電路設(shè)計(jì)中，ASIC（Application-Specific Integrated Circuit，專用集成電路）和FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）是兩種重要的實(shí)現(xiàn)方式。ASIC設(shè)計(jì)具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，但開發(fā)周期長、成本高；而FPGA則具有開發(fā)周期短、靈活性高的優(yōu)勢，適合用于原型驗(yàn)證和快速迭代。因此，將ASIC設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為FPGA原型驗(yàn)證是許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在開發(fā)過程中的重要步驟。本文將詳細(xì)探討從ASIC到FPGA轉(zhuǎn)換中的系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片型號、在設(shè)計(jì)中的作用以及詳細(xì)型號介紹。

一、ASIC與FPGA的時(shí)鐘系統(tǒng)差異

1. 物理結(jié)構(gòu)差異

   ASIC和FPGA的物理結(jié)構(gòu)不同，ASIC是基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫設(shè)計(jì)的，而FPGA則是基于廠商提供的宏單元模塊（如查找表）構(gòu)建的。這種差異導(dǎo)致ASIC設(shè)計(jì)代碼在轉(zhuǎn)換為FPGA代碼時(shí)需要進(jìn)行一定的修改和轉(zhuǎn)換。

2. 時(shí)鐘資源差異

• ASIC：ASIC設(shè)計(jì)中通常使用布局布線工具來放置時(shí)鐘樹，并利用代工廠提供的PLL（Phase-Locked Loop，鎖相環(huán)）進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)計(jì)。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，且需要精確控制時(shí)鐘偏移。

• FPGA：FPGA中通常已經(jīng)配置了一定數(shù)量的PLL或MMCM（Mixed-Mode Clock Manager，混合模式時(shí)鐘管理器）宏單元，并有針對時(shí)鐘優(yōu)化的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)可以保證相同的時(shí)鐘沿到達(dá)芯片內(nèi)部每一個(gè)觸發(fā)器的延遲時(shí)間差異可以忽略不計(jì)。

二、時(shí)鐘轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)步驟

1. 寄存器傳輸級（RTL）代碼修改

   在進(jìn)行FPGA原型驗(yàn)證之前，首先需要對ASIC設(shè)計(jì)的RTL代碼進(jìn)行修改，以適應(yīng)FPGA的時(shí)鐘資源。這包括刪除或替換ASIC中特有的時(shí)鐘管理模塊，如PLL，以及調(diào)整時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的布局。

2. FPGA器件映射

   使用映射工具根據(jù)設(shè)置的約束條件對RTL代碼進(jìn)行邏輯優(yōu)化，并針對選定的FPGA器件的基本單元映射生成網(wǎng)表。在這一步驟中，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)也會被映射到FPGA的全局時(shí)鐘資源上。

3. 布局布線

   在布局布線階段，會生成配置文件和時(shí)序報(bào)告等信息。如果時(shí)序不能滿足約束條件，可以通過軟件報(bào)告時(shí)序文件來確認(rèn)關(guān)鍵路徑，并進(jìn)行時(shí)序優(yōu)化。優(yōu)化方法包括修改約束條件或修改RTL代碼。

4. 時(shí)鐘單元轉(zhuǎn)換

• PLL/MMCM轉(zhuǎn)換：ASIC設(shè)計(jì)中的PLL需要轉(zhuǎn)換為FPGA中的PLL或MMCM。這通常需要對端口的細(xì)微修改，并確保時(shí)鐘信號的約束條件得到滿足。

• 門控時(shí)鐘轉(zhuǎn)換：ASIC設(shè)計(jì)中的門控時(shí)鐘電路在FPGA中可能不適用，因?yàn)镕PGA的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)是專用的低延遲網(wǎng)絡(luò)。因此，需要將門控時(shí)鐘通過某種方式映射到FPGA芯片的專用時(shí)鐘資源上，如使用時(shí)鐘使能結(jié)構(gòu)或多路選擇器。

5. 存儲單元轉(zhuǎn)換

   ASIC中的存儲單元通常用代工廠所提供的Memory Compiler來定制，而FPGA廠商已經(jīng)提供了經(jīng)過驗(yàn)證并優(yōu)化的存儲單元。因此，需要將ASIC中的存儲單元代碼轉(zhuǎn)換為FPGA中的存儲單元IP核，并在設(shè)計(jì)文件中進(jìn)行替換。

三、主控芯片型號及其在設(shè)計(jì)中的作用

1. Xilinx FPGA

• 型號：Xilinx公司的FPGA產(chǎn)品系列包括Artix、Kintex、Virtex等，每個(gè)系列下又有多個(gè)具體型號，如Virtex-7、Kintex-7等。

• 作用：Xilinx FPGA以其高性能、大容量和豐富的時(shí)鐘資源而著稱。在ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換過程中，Xilinx FPGA可以作為原型驗(yàn)證平臺，快速驗(yàn)證ASIC設(shè)計(jì)的正確性和性能。其豐富的時(shí)鐘資源（如PLL、MMCM、BUFG/BUFR、BUFGMUX等）使得時(shí)鐘設(shè)計(jì)更加靈活和高效。

2. Intel（Altera）FPGA

• 型號：Intel（原Altera）公司的FPGA產(chǎn)品系列包括Cyclone、Stratix等，每個(gè)系列下也有多個(gè)具體型號，如Stratix-10、Cyclone-10等。

• 作用：Intel FPGA以其低功耗、高性能和可編程性而廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。在ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換過程中，Intel FPGA同樣可以作為原型驗(yàn)證平臺，提供靈活的時(shí)鐘設(shè)計(jì)和豐富的I/O資源。

3. Lattice FPGA

• 型號：Lattice公司的FPGA產(chǎn)品系列包括ECP、MachXO等，每個(gè)系列下也有多個(gè)具體型號，如ECP3、MachXO2等。

• 作用：Lattice FPGA以其低功耗、小尺寸和低成本而著稱。雖然其性能可能不如Xilinx和Intel FPGA，但在某些對功耗和尺寸有嚴(yán)格要求的場合下，Lattice FPGA仍然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換過程中，Lattice FPGA同樣可以用于原型驗(yàn)證，但可能需要對時(shí)鐘設(shè)計(jì)進(jìn)行更多的優(yōu)化和調(diào)整。

四、詳細(xì)型號介紹及其在設(shè)計(jì)中的作用

1. Xilinx Virtex-7 FPGA

• 型號：XC7V2000T-2FFG1156C

• 作用：Virtex-7系列FPGA是Xilinx公司推出的一款高性能、大容量的FPGA產(chǎn)品。它采用了先進(jìn)的28nm工藝制程，提供了高達(dá)200萬個(gè)邏輯單元和12.5Tb/s的帶寬。在ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換過程中，XC7V2000T-2FFG1156C可以作為原型驗(yàn)證平臺，支持復(fù)雜的時(shí)鐘設(shè)計(jì)和高速數(shù)據(jù)傳輸。其豐富的時(shí)鐘資源（如24個(gè)PLL和MMCM）使得時(shí)鐘設(shè)計(jì)更加靈活和高效。

2. Intel Stratix-10 FPGA

• 型號：10AS1200N3F45I3SG

• 作用：Stratix-10系列FPGA是Intel公司推出的一款高性能、低功耗的FPGA產(chǎn)品。它采用了先進(jìn)的10nm工藝制程，提供了高達(dá)1200萬個(gè)邏輯單元和4.5Tb/s的帶寬。在ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換過程中，10AS1200N3F45I3SG可以作為原型驗(yàn)證平臺，支持高速數(shù)據(jù)傳輸和復(fù)雜的時(shí)鐘設(shè)計(jì)。其豐富的I/O資源和可編程性使得設(shè)計(jì)更加靈活和高效。

3. Lattice ECP3 FPGA

• 型號：LFE3-128EA-6FN484C

• 作用：ECP3系列FPGA是Lattice公司推出的一款低功耗、小尺寸的FPGA產(chǎn)品。它采用了先進(jìn)的40nm工藝制程，提供了高達(dá)128個(gè)邏輯單元和2.5Gb/s的帶寬。雖然其性能可能不如Xilinx和Intel FPGA，但在某些對功耗和尺寸有嚴(yán)格要求的場合下，LFE3-128EA-6FN484C仍然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換過程中，它可以作為原型驗(yàn)證平臺，支持基本的時(shí)鐘設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸。

五、時(shí)鐘設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

1. 簡化時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)

   在ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換過程中，應(yīng)盡量簡化時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，減少時(shí)鐘路徑上的掃描和測試邏輯。這有助于降低時(shí)鐘偏移和提高系統(tǒng)性能。

2. 避免時(shí)鐘路徑上的組合邏輯

   在FPGA設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免將組合邏輯放在時(shí)鐘通路上，因?yàn)檫@會降低時(shí)鐘性能并可能帶來建立保持時(shí)間的問題。應(yīng)將組合邏輯從時(shí)鐘通路“搬移”到數(shù)據(jù)通路上，或使用時(shí)鐘使能結(jié)構(gòu)來達(dá)到同樣的功能。

3. 使用高性能綜合工具

   使用高性能的綜合工具（如Synopsys的Synplify Pro/Premier）可以自動(dòng)進(jìn)行門控時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和其他時(shí)鐘優(yōu)化。這些工具可以識別并處理復(fù)雜的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，提高時(shí)鐘設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。

4. 充分測試FPGA存儲器的行為級模型

   在ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換過程中，應(yīng)充分測試FPGA存儲器的行為級模型，以確保其性能和穩(wěn)定性。這包括測試存儲器的讀寫速度、數(shù)據(jù)一致性和功耗等方面。

5. 考慮使用外部時(shí)鐘源

   在某些情況下，可能需要使用外部時(shí)鐘源來提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。這有助于降低FPGA內(nèi)部的時(shí)鐘偏移和抖動(dòng)，提高系統(tǒng)性能。

六、結(jié)論

從ASIC到FPGA的轉(zhuǎn)換是一個(gè)復(fù)雜而重要的過程，其中時(shí)鐘設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的一環(huán)。通過合理的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和優(yōu)化策略，可以確保FPGA原型驗(yàn)證平臺的性能和穩(wěn)定性，為后續(xù)的ASIC設(shè)計(jì)提供有力的支持。在選擇主控芯片型號時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求和資源限制進(jìn)行選擇，以確保設(shè)計(jì)的可行性和高效性。

以上內(nèi)容詳細(xì)探討了從ASIC到FPGA轉(zhuǎn)換中的系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片型號、在設(shè)計(jì)中的作用以及詳細(xì)型號介紹。希望這些內(nèi)容能夠?yàn)槟脑O(shè)計(jì)工作提供有益的參考和借鑒。