《硬件仿真(Emulation)EDA工具前端设计流程》
硬件仿真(Emulation)EDA工具设计流程总结，仅介绍必要设计步骤，具体详细步骤由于公司机密，暂不详细说明。
文章目录
- 前言
- 1. Emulation
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- 1.1 什么是Emulation
- 1.2 Emulation和Simulation的区别
- 2. 设计流程
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- 2.1 前端设计流程（FrontEnd）
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- 2.1.1 Analyze
- 2.1.2 Elaboration
- 2.1.3 Synthesis
- 2.2 后端设计流程（BackEnd）
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- 2.2.1 分割（Partitioning）
- 2.2.2 静态时序分析（Static Timing Analysis）
- 2.2.2 路由（Routing）
- 2.3 Runtime
- 总结
前言
这里是基于FPGA的Emulation（硬件仿真）或者说prototyping（原型验证）的EDA工具设计全流程。
当然，不是所有的工具都会按照本文讲的逻辑和顺序进行设计，但总的方向是一致的。
本文重点介绍Emulation的前端设计（FrontEnd）流程，后端设计（BackEnd）流程和Runtime仅仅提及，后有机会就会更新。
本人才疏学浅，如有雷同，纯属巧合，如有错误，请多多指教！！
1. Emulation
1.1 什么是Emulation
用户设计的芯片（ASIC等）需要进行功能上的验证，常见的验证工具有Simulation和Emulation
Emulation就是指，模拟出用户设计芯片中实际使用的硬件，再进行仿真
其中大多数是基于FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列，可以理解为通用芯片）进行设计的。
其主要实现是通过将用户设计的芯片模拟到FPGA对应的元器件上，如LUT（组合逻辑）、RAM（存储单元）、REG（触发器或锁存器）、MUX（多数选择器）、CARRY（进位链）、DSP（数字信号处理器）等，再进行仿真
1.2 Emulation和Simulation的区别
两个都有仿真验证的意思，emulation的效率和速度比simulation高很多
simulation一般是说利用软件在服务器进行的仿真
emulation一般说的是利用FPGA，或者是硬件加速器来进行仿真验证。
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Simulation == 模拟，Emulation == 仿真
Emulation，是指用软件去模拟出某个系统中各个部件的组成，真实地模拟出系统的运行机制，如内存(RAM)、寄存器(FF/Latch)、MUX、DSP、LUT等等。
Simulation，是指用软件去模拟某个系统的功能，并不要求实现该系统的内部细节，只要在同样的输入下软件的输出和系统的输出一致。 -
Simulation：高层次上的模拟，类似于black box
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Emulation：注重于对底层的模拟，类似于白盒
2. 设计流程
基于FPGA的Emulator设计流程主要分为三部分，分别为前端FE、后端BE和Runtime
总输入为：用户设计，以Verilog、VHDL、system verilog为主（RTL）
总输出为：可以进行验证的，模拟好的总设计
2.1 前端设计流程（FrontEnd）
前端设计主要包括了以下3个方面进行设计，分别为Analyze（分析）、Elaboration（详尽描述）、和Synthesis（综合）
2.1.1 Analyze
输入：RTL设计
输出：AST（Abstract Syntax Tree，抽象语法树），有层级信息的RTL
- Analyze分析：读入RTL代码，检查设计文件语法和语义错误的过程，分析每个文件的语法是否正确
语法规则由语言规定。如在VHDL上，如果您编写if但忘记包含THEN子句，则违反了VHDL语言的语法和规则集。
大多数会配parser使用，parser顾名思义，语法分析器，主要将用户写的设计语言（RTL），翻译成电脑可识别的语言。
一般来说，我们更喜欢使用AST存储RTL。
- AST将代码根据源代码语法生成对应的树状结构
意义：编程语言太多，需要一个统一的结构让计算机识别
树上的每个节点 = 源代码中的一种结构
抽象：抽象语法树并不会表示出真实语法出现的每一个细节，如嵌套括号被隐含在树的结构中，并没有以节点的形式呈现。
作用：抽象语法树并不依赖于源语言的语法，也就是说语法分析阶段所采用的上下文无文文法，因为在写文法时，经常会对文法进行等价的转换（消除左递归，回溯，二义性等），这样会给文法分析引入一些多余的成分，对后续阶段造成不利影响，甚至会使合个阶段变得混乱。因些，很多编译器经常要独立地构造语法分析树，为前端，后端建立一个清晰的接口。
2.1.2 Elaboration
输入：RTL（AST）
输出：设计在FPGA上的具体映射（如具体的硬件REG、LUT等）
- Elaboration：详尽描述
RTL语言本质上是分层的。顶层实体实例化信号、组件和进程。每个组件都实例化了额外的信号、组件和进程
编译器探索自顶向下的设计层次结构，并构建一个互连表，直到它到达设计的构建块
在这一步中，构建块仍然是通用的RTL结构：逻辑门、寄存器、存储器等
Analyze:每个module还是独立的，没有instance的关系
Elaboration: 用analyze已经读入的RTL代码来构建hierarchy（跨层级结构）。顶层是可以设置的。这个时候整个design的层次就有了，instance的关系也明确了
同时Elaboration还会根据优化选项进行一定的优化，简化树型结构。比如，去除设计层次，用信号命名来表示原层次关系。还可以进行边界优化，合并组合逻辑，合理的优化会很大程度上加速Emulation的过程。
总结：Elaboration可以理解为将一个设计从顶到下，每一层逻辑关系（父子，迭代等等）讲清楚，为后续综合（Synthesis）提供方便。
2.1.3 Synthesis
输入：RTL（FPGA硬件）
输出：门级网表（Gate level Netlist），多以(.v)或(.edif)表示
逻辑综合，将设计的RTL转换为门级网表（Netlist、EDIF、门级verilog等），作为后端的输入。
这里可以参考逻辑综合入门。
2.2 后端设计流程（BackEnd）
后端设计主要作用就是将综合好的网表，如何放到实际的FPGA上，主要分为两步，分别为：布局（partition）和布线（routing）
2.2.1 分割（Partitioning）
对硬件仿真工具的性能影响最大的是基本元件（FPGA或是处理器）之间的连接延迟，因此分割（partitioning）对仿真速度的影响最大。
一个设计是很大的，最终实现的FPGA可能有5、6块，甚至10块之多。
那如何将一个大的设计分成多块，放到每一个FPGA上，这就是分割的工作。
这里的步骤主要分为：
- Board level partition：一个设计最后可能需要分为好几个板子（每个板子上有不止一块FPGA），实现的是如何将设计分割成多个板子
- FPGA level partition：在每个board上，有多块FPGA，实现的是如何将设计分割成多个FPGA
传统的分割器（partitioner）只优化切割数（Sum of External Degrees），所以不能有效的优化时序（timing），因此应用时序驱动的分割器来提高硬件仿真性能。
2.2.2 静态时序分析（Static Timing Analysis）
基于FPGA的硬件仿真器需要用定时器（timer）作静态时序分析来替FPGA布局布线（P&R）生成时序约束（timing constraints），并执行签核（signoff）时序分析。
软件编译器可以使用每个FPGA原件（primitive）的Liberty（一种用来描述原件的行业标准格式）模型来执行静态时序分析和时钟推断。
一个设计是很大的，最终实现的FPGA可能有5、6块，甚至10块之多。
2.2.2 路由（Routing）
在布局结束之后，现在需要将这些board、FPGA连接起来实现具体功能，我们已知，在理想状态，我们不考虑连接线上的成本，但实际电路中，越长的线、越绕的线成本是越高的。
因此这个时候如何连接，可以实现效率最大化，这就是路由的工作。
基于FPGA的硬件仿真器需要将每个分割分配给一个FPGA，以减少最坏时序路径的延迟，从而提高硬件仿真性能。
硬件仿真器的FPGA之间的连接拓扑（connection topology）通常不是对称的，换句话说，某对FPGA会比其它一对FPGA间具有更多的或更多类型的电缆（如图）。因此软件编译器需要由定时器来驱动路由器，通过不同的LVDS或MGT电缆来路由FPGA间网络，以减少最坏时序路径的延迟，从而提高性能。
硬件仿真器的连接拓扑通常不构成完整图（complete graph），因此路由器可能必须创建馈通线（feedthrough）以在两个未通过电缆直接连接的FPGA之间布线。并且路由器可能会决定绕过其他一些FPGA，根据计时器的指导，在两个FPGA之间较少使用的电缆上布线，以加快仿真性能。
软件编译器也需要有一个TDM分配（assignment）引擎，该引擎将每条布线线路分配到具有特定TDM比率的TDM插座（socket）。
由于TDM比率越高，TDM插座占用的延迟就越多，TDM分配引擎会将更关键的时序路径上的布线分配给具有较小TDM比率的插座。该引擎利用计时器来了解时序路径的关键性。
2.3 Runtime
在实际实现中，所有流程的最后是需要跑一遍的，这个跑的动作，我们称为Runtime
在Runtime时，因为要模拟一个实际的操作系统，包括内存行为，公共驱动程序和库负载以及文件结构的类型等， 可以将仿真视为DBI（dynamic binary instrumentation，动态二进制工具），这里就会有一些工作。
总结
Emulation主要实现了将大的ASIC电路，映射到多个FPGA上，最后我们跑FPGA验证设计是否符合要求。
上文介绍的流程是主要flow，由于每家公司的flow不尽相同，这里就不做详细介绍。