Введение
На сегодняшний день разработка проектов для конфигурации ПЛИС (программируемых логических интегральных схем) является достаточно востребованной тематикой. За счёт скорости работы, возможности многократной реконфигурации и простоты разработки ПЛИС находят применение в различных сферах – в телекоммуникации, космонавтике, а также в других устройствах военного и гражданского применения.
Важнейшее значение при разработке интегральных схем занимает процесс высокоуровневого описания схемы на языках разработки аппаратуры (HDL), логическая верификация проекта и «кремниевая компиляция» (синтез). К сожалению, ввиду отставания отечественной микроэлектроники от западной наметился значительный разрыв и в области систем автоматизированного проектирования. В современных реалиях довольно сложно спроектировать конфигурацию логической схемы, состоящей из десятков и сотен миллионов логических элементов в ручном режиме. А в приемлемо короткий промежуток времени – нереально.
Маршрут проектирования. Разработка высокоуровневого описания
Маршрут проектирования конфигурации программируемых логических интегральных схем всем знаком. Он представляет из себя итерационный процес и его схему можно представить следующим образом – см. рис. 1.
В статье разберём шаги высокоуровневого описания, логической верификации, синтеза схем, реализованных в Delta Design Simtera.
Начнём с первого этапа – разработки высокоуровневого описания. Вести разработку можно в схемотехническом, а также в текстовом виде. При работе с последним довольно важным является процесс взаимодействия системы и разработчика. Современный разработчик привык к интерактивным системам, дающим информацию по ошибкам, «узким местам» разрабатываемого кода, а также показывает их и даёт рекомендации. Тем самым процесс создания HDL-кода становится быстрее и, как правило, лишён грубых ошибок.
В системе Delta Design Simtera реализовано несколько инструментов в помощь программистам ПЛИС – это визуальные и интерактивные инструменты.
К визуальным можно отнести редактор настройки подсветки синтаксиса, отвечающий за настройку цвета, шрифта, размера и других параметров ключевых слов для HDL-языков, использующихся в проекте. Присутствует в системе и настройка цветовых схем редакторов. К интерактивным инструментам относятся автоподсказки, автодополнения кода, система распознавания лексических, синтаксических и смысловых (семантических) ошибок кода.
Технология умного ведения кода проекта предлагает варианты при написании кода, уменьшает время написания кода и возможность совершения синтаксических ошибок (рис. 2). В зависимости от контекста система предлагает варианты дальнейшего описания по стандартам на языки IEEE 1800-2005 (SystemVerilog), 1364-2005 (Verilog), IEEE 1076-2008 (VHDL) (рис. 3).
Моделирование и верификация HDL
Верификация и моделирование являются одними из этапов проектирования конфигурации ПЛИС. Моделирование осуществляется на основе скомпилированного HDL-проекта и только в том случае, если он не содержит ошибок. Моделирование происходит при нажатии на кнопку «Собрать проект и запустить симуляцию», показанную на рис. 4.
В панель «Журналы» выводится информация об этапах и шагах моделирования, а также выводится отладочная информация разработчика ПЛИС (рис. 5).
Отрисовка поведенческого моделирования во временнóй области доступна в осциллографе и в списке наблюдения. Данные могут быть отображены в цифровом и аналоговом видах. Во временноóй области доступна расстановка курсоров, в нижней части курсора отображается дельта времени между текущим и «нулевым» курсорами, а в верхней части – абсолютное значение времени (рис. 6).
Поведенческий синтез. Проверка на синтезируемость
HDL-язык, и язык Verilog в частности, используется для описания поведения схемы во времени и запуска соответствующего моделирования. Однако воплощение реализующей такое поведение цифровой аппаратуры (т.е. логических элементов и соединяющих их проводников) возможно не всегда. Логический синтез — перевод поведенческой модели в набор цифровых компонентов — может быть выполнен при использовании некоторого подмножества языка Verilog, который называется Synthesizable Verilog (синтезируемый).
Вполне корректный с точки зрения моделирования код может содержать несинтезируемые конструкции, и сообщение об этом должно быть выдано пользователю только при запуске модуля синтеза, а не при общей проверке кода на отсутствие синтаксических или семантических ошибок. При этом обнаружение несинтезируемых конструкций следует выполнять раньше, чем будет запущен трудоёмкий процесс логического синтеза. Это выполняется путём добавления к проверке семантики дополнительных правил, следование которым проверяется сразу же при запуске синтеза, и в случае их нарушения выдаётся ошибка, а процесс синтеза не стартует.
В качестве примера работы системы на проверку синтеза рассмотрим Verilog-код, в котором используется несинтезируемая конструкция event. Verilog-код:
input clk;
input r_data;
output reg q;
event e_data;
always@(posedge(clk))
begin
if(clk)->e_data;
end
always @(e_data)
q = r_data;
endmodule
В нём присутствует несинтезируемая конструкция событие.
В Delta Design Simtera компиляция проходит без ошибок, но при проверке синтезируемости кода также выдаётся ошибка – рис. 7.
Поведенческий синтез в Delta Design Simtera
Синтез RTL (Register transfer level) по коду Verilog реализован в наиболее простом варианте. В первом приближении для реализации синтеза в системе присутствует построение схем связей высокоуровневых элементов: переменных (портов, локальных переменных, чисел, параметров); блоков выполнения унарных, бинарных и имеющих большее число аргументов операций; блоков осуществления комбинационной и синтезируемой последовательностной логики (защёлок, мультиплексоров, D-триггеров и их разновидностей, шифраторов/дешифраторов), а также, если переменная представляет собой массив, обеспечение работы с его частями. При этом оптимизация выполняется только над используемыми высокоуровневыми элементами, то есть, например, сумматор в текущем варианте представляет собой «чёрный ящик», и его внутренние элементы И/ИЛИ/НЕ не являются компонентами синтезированной схемы и не участвуют в оптимизации.
Синтезатор Synplify, как наиболее известный по оптимизации ресурсов «кремниевый компилятор», осуществляет довольно глубокую оптимизацию уже на уровне создания принципиальной схемы. И, зачастую, даже в представлении схемы с высокоуровневыми компонентами проведена оптимизация. В ней явно видимые из кода компоненты заменены другими — обеспечивающими более оптимальное представление всей схемы на уровне И/ИЛИ/НЕ (соответственно и в RTL).
Delta Design Simtera по функциональным возможностям можно сравнить с инструментом синтеза с открытым исходным кодом Yosys. Ниже приведены сравнительные результаты работы поведенческого синтеза систем Delta Design Simtera, Yosys и Synopsys Synplify.
Примеры работы
Булева функция
Простые логические операции над булевыми переменными:
assign y = (~a & ~b & ~c)
| (a & ~b & ~c)
| (a & ~b & c);
endmodule
Результат работы Yosys представляет собой все операции в графической форме. Можно увидеть, что все три блока 2, 6 и 11 представляют собой отрицание одной и той же переменной b, 4 и 8 — отрицание c, а 7 и 12 каждый соответствуют (a & ~b) (рис. 8).
В Delta Design Simtera на настоящий момент реализована процедура повторного использования уже созданных блоков, что приводит лишь к однократному появлению отрицаний каждой из переменных. Кроме того, блоки И и ИЛИ на схеме изображаются от трёх операндов, как и записано в коде (рис. 9).
Никакой минимизации здесь не проводится: лишь повторное использование уже созданных блоков. Для примера покажем работу Synplify, который путём минимизации записанной функции снизил число операторов до 5 (отрицание a, например, вовсе не понадобилось) (рис. 10).
Защёлки и мультиплексоры
Комбинационная логика, описываемая условными операторами, реализуется с помощью мультиплексоров (осуществляющих выбор одного из двух входящих сигналов в зависимости от контрольного сигнала) и защёлок (пропускающих или нет входящий сигнал в зависимости от контрольного сигнала). В примере ниже сигнал clk отвечает за выбор сигнала d0 или d1, передаваемого в биты [1: 0] выходного порта q. Обратите внимание, что в части else присвоение происходит во все четыре бита q[3:0], а в части if — только в первые два q[1:0]. Вследствие этого для битов q[1:0] создаётся мультиплексор, который по значению clk==0 пропускает d0[1:0] (выбор двух нижних битов d0 производится автоматически в соответствии с тем, что именно попадает в q[1:0] в части else), а по clk==1 – d1. Для битов q[1:0] создаётся защёлка, работающая при clk==0, то есть при ~clk==1.
input logic [3:0] d0,
input logic [1:0] d1,
output logic [3:0] q);
always_latch
if (clk) q[1:0] <= d1;
else q <= d0;
endmodule
Yosys выдаёт в качестве результата ссылку на некую процедуру, которую он не может представить в виде цифровых компонентов (рис. 11), на рис. 12 Simtera реализует описанную выше логику, такой же результат выдаёт Synplify – рис. 13.
Заключение
На текущий момент на российском рынке САПР Delta Design Simtera является хорошей альтернативой западным системам по проектированию конфигурации ПЛИС и может закрыть потребности разработчиков на таких этапах, как проектирование, симуляция и поведенческий синтез. При этом система постоянно модернизируется и дополняется новым функционалом, предоставляется техническая поддержка и обучение.
