基于FPGA的ASIC协同原型验证设计方案

鉴于芯片设计的复杂度提升， 成功设计一个芯片所牵扯的步骤与过程也愈加复杂，所需花费的资金也成倍增加，一个典型的芯片开发项目的周期和花销如下所示

可以见到在芯片制造出来之前，很多精力会花费在RTL代码验证工作上，另外软件的相关开发工作，也会在得到芯片前开始，这2方面都需要借助FPGA原形来模拟芯片的行为，帮助硬件开发和软件开发者，共同提升工作效率。

FPGA原型在数字芯片设计中，基本是必不可少的，原因非常明显，相比用仿真器，或者加速器等来跑仿真，FPGA的运行速度，更接近真实芯片，可以配合软件开发者来进行底层软件的开发。当然FPGA原型作为芯片的替身，也是有诸多限制的，比如规模限制，速度限制，功耗限制，结构限制等，在使用FPGA原型作为芯片的替代时，需要进行相应的修改，才能完成相应功能，甚至有些功能最终无法覆盖。

如果对FPGA中可以映射为ASIC的资源做逐一对比，我们可以得到这样的表格。

以上表格看出，除了普通的RTL逻辑以及基本端口，其他的类似存储时钟DSP等，最好都是做手动修改进行映射，把ASIC设计转换为FPGA比较靠谱。

要把一块ASIC做出FPGA的原型，需要大致一下步骤，

1 FPGA选型

2 做板或者购买原型板。

3 将ASIC设计转换装入FPGA

4 调试启动FPGA原型

5 载入软件协同运行

6 软硬件系统验证

下文就按照这些步骤逐一讨论：

第一个就是FPGA的选型问题，在选型前，当然需要对ASIC的设计进行大致的了解，包括以下各方面：

选型问题最关心的几个维度：

1 容量 其中包括纯逻辑容量，存储容量，dsp单元容量这些

2 内置IP 包括时钟，存储控制，cpu等的硬核

3 接口 普通接口与专用高速接口

4 速度 资源占用率在50%左右时的速度，一般被用来评估原型

其中纯逻辑容量，也就是ASIC中组合电路与触发器的容量，是可以直接与FPGA中的资源换算的。

比如上图xilinx V7 2000T中有2.4M FF，大致对应ASIC的2输入与非门10M gates，如果使用率按照50%算，大概放置5M逻辑门没问题。

内置的存储器，可以实现21M的单双端口ram，rom，fifo等，如果ASIC中使用的存储稍微多一点，也可以用lut实现部分的存储，替代block ram。

如果使用较多乘加运算，也可以映射fpga中的dsp器件实现，具体各种型号的FPGA包含多少器件，可以参考xilinx文档。

对于内置ip，最先要考虑的，就是时钟模块MMCM，一般FPGA会有几个到几十个时钟模块，例如下表2000T中包含24个CMTs，也就是24个PLL和MMCM，每组PLL和MMCM可以对一个时钟域的时钟进行分频倍频。一般ASIC会包含多个时钟域，每个时钟域至少需要一个CMTs对时钟进行操作，可以据此选择使用哪个FPGA器件。

如要选择带有ARM硬核的FPGA来模拟ASIC中的ARM核，则需要选择zynq系列。系统中自研的逻辑，则通过AXI挂入总线中，当然这样未必能使FPGA与ASIC中的系统完全一致，但是作为一个圆形，也是足够的，以下是部分带有ARM核的FPGA的容量以及相应IP情况

对于接口的限制，一般FPGA的普通接口数量够大，不会成为瓶颈，主要在于ASIC所需的特定接口，在FPGA中是否能够满足，很多时候这些特定接口需要外接phy才能完成相应功能。

影响FPGA最终运行速度的因素很多，包括代码风格，具体设计，资源占用率，FPGA型号等，所以这需要在RTL代码基本框架完成后，通过工具综合才能得到一个大致数值，所以作为ASIC原型，尽量选择速度够快的FPGA。

通过以上限定条件，基本可以选出使用哪种FPGA型号，但是可能ASIC资源占用太多，任何一种都装不下，这就有2种解决方式了。一种是分块分别验证，当然这样风险极高，且没法直接验证最终系统。

另外就是使用多片FPGA得到原型，这就要涉及不同FPGA之中功能划分的问题，这个是比较麻烦且有难度的事情，对FPGA电路设计，以及ASIC到FPGA的代码转换，都有挺多新问题。

第2步就是制版，这需要考量的方面也是相当多，比如信号完整性，电源问题，时钟问题，可扩展性等，本人对此没有直接经验，也就无从展开。当然对于需要多个FPGA的验证板，一般实力的团队，未必能搞定,所以选择花钱买平安，直接选用类似HAPS这样的验证系统，可能更靠谱。

第3步就是ASIC的设计装入FPGA。这需要对原本面向ASIC的代码，进行修改。

对于一般的纯RTL逻辑，在ASIC中与FPGA中都可以综合出可用结果，但是以下表中的器件，需要修改

芯片中的pad，一般是fab厂给出的硬核，具有输入输出，驱动上下拉控制等。在转换成FPGA时，一般会在例化中直接用assign替代，并.XDC或者.v中指定上下拉等

如果有ASIC门级网表，可以把底层ASIC实例器件用verilog行为描述替换，在FPGA综合中则可以对应实现。其他的简单cell例化，也可以这样转换一下。

对于存储器，一般可以在FPGA中找到与ASIC功能一致的SRAM，ROM ，可以直接把FPGA MEM 外包一层改变端口名字，替代ASIC MEM。小的嵌入flash，则可以把FPGA的SRAM包一层逻辑来模仿。

其他的硬核IP， 可能需要在FPGA中寻找功能一致的，并相应修改接口，与ASIC代码中其他部分有效连接。

对于BIST，最直接的办法是去除，一般不会影响实际功能。

对于各种门控时钟，倍频分频等，一般需要针对FPGA做手动修改，使用DCM完成与芯片中时钟一致的行为。

以下就一些修改中会出现的具体问题，详细说明。

首先我们拿到的ASIC设计的结构，基本如下图所示，最外一圈是各种pad ring，里边先是芯片的各种辅助功能，包括 clk， rst， power， test，debug等。然后是与芯片实际功能相关的部分，可能包括部分模拟电路，数字电路包括cpu，mem 总线，各种逻辑控制等。我们需要明确用FPGA来原形验证的，主要是数字电路中的那些核心功能，芯片核心外部的那些辅助逻辑，很多是需要修改的，也是无法得到验证的。这里的pad一般直接在FPGA中直接去例化一个包含几个assign语句的 FPGA PAD 等效实例，clk rst 需要根据具体上电顺序，时钟资源做调整，一般会对rst功能进行简化，做成一个全局复位，clk中的分频与关断功能会放在CMT中实现。power控制，一般在FPGA中直接忽略，因为用FPGA几乎无法模拟各种UPF指定的行为。debug test可以根据实际情况保留或者去除，但是即使保持，一般也不会真的去用。核心功能中需要更改的，一般就是各种内部存储器了。

时钟门控 clock gating 一般在ASIC中广泛使用，一般会在clk模块中例化成由latch与门组成的门控单元，对某个模块进行时钟控制。这些门控单元，如果直接在FPGA中例化为相同逻辑的latch与门，逻辑功能是没有问题的。但是这时与门出来的受控时钟，则不能再FPGA的专用时钟网络中走线，而是走普通的信号网络，这样FPGA能达到的频率很差。为了纠正这样情况，可以把对寄存器的门控，放在寄存器端，也就是选用FPGA中行如FDCE这样带门控的寄存器。这个过程可以手动完成，但是比较麻烦，一般来说专门的FPGA综合工具能做这种自动转换。比如 vivado中使用 (* gated_clock = "true" *) input clk_a; 标定受控时钟，并在脚本加入 -gated_clock_conversion on 综合选项。

当然如果需要的可控时钟不太多，也就是少于FPGA中BUFGCE的数量，则可以直接把门控信号加在 BUFGCE的控制端，输出就是走时钟网络的门控信号了。如果FPGA器件中有 BUFHCE，则可以对更多层级的时钟进行门控，也就可以得到更多的受控时钟。

有关FPGA门控时钟的更详细解释，可以参照 https://forums.xilinx.com/t5/General-Technical-Discussion/Reg-Clock-gati...

ASIC转变到FPGA使用的综合约束，在SDC与XDC基本相容，例如

这些都可以直接使用，当然很多情况下FPGA还是不可能跑到ASIC速度，必须降速运行。另外还需要添加FPGA中对管脚位置，类型，驱动强度等的约束，以及一些综合选项

以上即为对ASIC代码更改的主要部分，在下到FPGA板调试前，最好对更改的FPGA代码进行仿真，确认功能正常，减少上板调试的工作量。

第4步为启动调试FPGA原型。

在把修改后的FPGA代码装入调试前，先需要保证FPGA板本身是正常可用的，这时如果是外购的开发板或者类似haps的验证系统，则会省去一些麻烦。

如果是头次开发的FPGA板，则需要先装入一个最简单的FPGA镜像文件，测试一下FPGA的电源供电，下载连接是否可用，然后通过几个用于测试的FPGA文件，测试下板上与FPGA连接的其他器件是否正常工作。一般头次设计的板子，多少会有各种问题，比如电源供电问题，管脚连接的差分信号匹配问题，阻抗匹配，电流驱动，信号质量等问题 如果板子通过了以上测试，则可以认为电路硬件设计没有问题，可以装入FPGA原形文件进行测试了。

装入修改了的FPGA原型模拟ASIC，一般不会一次成功，一般出现的问题可以分为以下三类：

1 RTL逻辑错误，包括原本ASIC既有的和修改过程引入的错误。

2 接口错误 与外部器件的电信号连接错误，包括电压不匹配，驱动电流不一致等。

3 软件错误 MCU运行的软件没有正确配置相关功能导致，这种一般在仿真中难以发现，因为仿真很少运行真正的软件系统。

对fpga原型的板上调试，可以归纳为以下步骤。

当载入实际运行的软件后，通过FPGA原型，就可以如同在实际芯片中一样，对软件进行测试修改，同时完成系统级的验证工作了。也就进入了步骤5.6，这与普通的嵌入式软件开发大致相同。

对于通过FPGA进行原型验证，有以下设计流程上的建议，值得参考

以上参考了xilinx网站内容，以及FPMM等书。

编辑：hfy