三、14【Verilog HDL】FPGA开发基本流程——逻辑综合和验证
目录
前言
一、逻辑综合简介
二、Verilog HDL综合
2.1 Verilog结构
2.2 Verilog操作符
2.3 逻辑综合流程
RTL描述
翻译
未经优化的中间表示
逻辑优化
工艺映射和优化
优化后的门级描述
综合流程三点注意
三、门级网表验证
3.1 功能验证
3.2 时序验证
四、高级验证技术
4.1 传统验证
体系结构建模
功能验证环境
仿真
分析
覆盖
4.2 断言检查
4.3 形式化验证
半形式化检验
等价形式检验
五、结业总结
前言
参考书籍：《Verilog HDL 数字设计与综合》第二版，本文档为第14章的学习笔记。
在讲解逻辑综合之前，先了解一下FPGA开发流程：
FPGA开发基本流程：
- 系统规划，系统功能，功能模块划分
- RTL设计，使用Verilog、System Verilog、VHDL进行描述
- 功能仿真，理想情况下的仿真
- 综合、编译、布局布线，FPGA厂商自带工具完成
- 时序仿真，时序分析约束
- 板级验证
由于目前的逻辑综合，大多数都由计算机辅助，深入了解较困难，需要看特定的文档或者参加一些特定公司的培训班，并不是所有都适用。本博文仅仅介绍了逻辑综合方法和问题，而不是全面了解逻辑综合技术。希望大家有一个基本的认识。
一、逻辑综合简介
逻辑综合是在标准单元库（工艺库，每个公司可能会有差异）和特定的设计约束（时序、面积、可测试性和功耗）的基础上，把设计的高层次转换成优化后的门级网表的过程。
一开始逻辑综合是由人们自己动手实现的，而这样不仅增加了门槛高度，而且复杂操作时容易出错，开发时间也长。但是由于计算机辅助逻辑综合工具的出现改变的这种状况，并将硬件描述语言（HDL）推到了数字设计技术的最前沿。
二、Verilog HDL综合
这里讨论基于寄存器传输级（RTL）层次的综合。关于RTL级建模请参考：
三、7【Verilog HDL】RTL建模——数据流建模_追逐者-桥的博客-CSDN博客_rtl建模
三、7【Verilog HDL】RTL建模——数据流建模_追逐者-桥的博客-CSDN博客_rtl建模
2.1 Verilog结构
提供的时时钟到时钟的RTL级描述，因此一些语句描述会有一些限制
- while和forever的使用需要注意，避免组合反馈。
- #
结构在逻辑综合时会被忽略，因此综合前后会导致仿真的结果不一样。 - 逻辑综合工具不支持initial结构转换，因此设计RTL代码时，需要用复位来初始化电路信号。
- 定义未指定宽度的变量可能产生庞大的门级网表，逻辑综合工具可能根据变量定义生成不必要的逻辑。
2.2 Verilog操作符
2.3 逻辑综合流程
这里是指RTL级描述转化成门级描述，并讨论下面流程的每一部分。
RTL描述
使用RTL级代码对模块功能和系统功能进行描述，其中包括逻辑和功能仿真。
翻译
RTL描述被逻辑综合工具转换成一个未经优化的内部中间表示。这个过程不考虑面积、时序和功耗等设计约束。本过程逻辑综合工具仅完成简单的内部资源分配。
未经优化的中间表示
逻辑综合工具根据数据结构在内部表示设计，这一部分不需要深入理解。
逻辑优化
优化逻辑，删除冗余逻辑。通过布尔逻辑优化技术，产生该设计优化后的内部表示。
工艺映射和优化
设计被映射到需要的目标工艺。如：ABC公司以0.65微米CMOS工艺生产IC芯片，该工艺称为ABC_100工艺（目标工艺）。工艺映射是将内部设计表示为由单元（目标工艺提供）实现的门逻辑。实现结果需要满足时序、面积和功耗等设计约束。当然在过程中需要进行工艺优化或者工艺相关优化。
- 工艺库
库单元是ABC公司用作IC制造的基本构件模块，单元集合称为工艺库。
-
设计约束
时序（有一个内部的静态时序分析器会检查时序）、面积、功耗
设计约束时，面积和时序约束之间成相反的关系，面积越小时序越长
优化后的门级描述
工艺映射完成后，生成由目标工艺部件所描述的优化后的门级网表。如果该网表满足要求约束，将送到ABC公司制作最终版图，制作IC芯片。否则需要重新进行综合设计以满足约束要求为止。
综合流程三点注意
- 对于微处理器高速电路，制造商的工艺库未必完整，因此可以制造自己的工艺库。
- 翻译、逻辑优化和工艺映射是在逻辑综合工具内部完成，对设计者是不可见的。工艺库确定制作者只能控制输入的RTL描述和设计约束的说明，因此因此RTL的设计准确高效很重要。
- 设计者只能见到RTL描述、工艺库、设计约束和最终优化后的门级设计。
- 亚微米级设计，互连延迟称为延迟中的主要因素
三、门级网表验证
3.1 功能验证
可以加到RTL代码上的功能验证和加到综合后门级网表级代码的验证。但是由于使用到工艺库的原因，如：ABC公司门级描述是基于VAND,VNAND等库单元，而Verilog HDL原语为and、nand。因此ABC公司必须提供一个仿真库，将and等同同于VAND。
典型Verilog仿真器调用如下：
//把激励施加到RTL描述上
>verilog stimulus.v mag_compare.v
//把激励施加到门级描述上
//使用-v选项将模拟库的abc_100.v包含进来
>verilog stimulus.v mag_compare.gv -v abc_100.v3.2 时序验证
通过时序仿真或者静态时序验证工具来检查门级网表的时序。如果违反时序需要重新设计RTL模块描述或者约束。
四、高级验证技术
随着设计平均门数的增加，验证很快称为设计中的瓶颈，设计小组在验证上的时间占了总设计实践的50%——70%，超过了设计所需时间。IC验证已经称为了一个热门的行业，由于数字IC验证内容比较多，且随着时代的发展验证方法和工具也在随时改变，如果想深入学习请单独参考验证的资料进行学习，这里不做过多的讲解。
4.1 传统验证
体系结构建模
功能验证环境
可以分为一下三个阶段
- 模块级验证
- 全新片验证
- 扩展验证
仿真
软件仿真、硬件加速和硬件仿真
分析
波形观察器和日志文件
覆盖
结构覆盖、功能覆盖
4.2 断言检查
时间断言检查和静态断言检查
4.3 形式化验证
半形式化检验
等价形式检验
五、结业总结
上述只要没问题的话理论上就可以发工厂进行IC制作了。
至此这本书就到此结束了，已经学完。当然这仅仅只是入门，还需要继续学习。
推荐进阶书籍《Verilog 编程艺术》
当然本书的其他内容，都在本专栏里面了，大家可以查看学习
https://blog.csdn.net/arm_qiao/category_11744094.html
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