利用APTIX MP3C和Spartan-IIE FPGA实现数据系统的验证

摘要：随着数字电路设计的规模及复杂程度的提高，对其进行测试试验证所花费的时间和费用也随之提高，所以减少测试验证成本是当前数字电路设计的关键。本文利用MP3C和Spartan-IIE FPGA构建平台来实现数字系统的快速验证。这二款设备都具有业界价格最低、验证速度比较快的特点，利用它们可以大大提高验证效益。 关键词：集成电路 MP3C FPGA 网表文件 1 APTIX MP3C介绍 MP3C系统是Aptix公司的产品，是一种价格低、验证速度快、基于层次化和模块化的硬件验证平台，可以逐步验证每一个逻辑模块直到验证整个系统功能。MP3C硬件中的现场可编程互连电路板（FPCB）和现场可编程互连元件（FPIC）是Aptix公司的专利技术，图1给出了FPCB和FPIC在MP3C上的部件孔模块。通过该系统可以40MHz的最快速度调试百万门级的片上系统；可实时运行软件作为系统测试矢量；加速仿真与递归测试速度和加速完成设计变更；还可随时利用最新FPGA技术满足更大的设计规模需要。此外，MP3C也可以对复杂数字系统进行快速验证，其中包括ASIC、DSP、微控制器、微处理器、RAM和ROM等。MP3C系统比较适合小批量、多品种的生产。 1．1 现场可编程电路板FPCB MP3C的FPCB是一个22%26;#215;16、16层的插孔板，根据应用和设计需求，可以把一些外围器件、接口和多个FPGA等放置在FPCB上，就像面包板一样，因此非常灵活方便，这些外围部件再通过FPIC互相连接起来。MP3C FPCB由许多硬件组成。 （1）插孔区（freehole area） 插孔区分为上下二部分，分别用A到P标记，共64列，每列有40个可用插孔，有2560个插孔可以使用，除去16列作为I/O，共有1920个插孔连接到FPIC上。每列有15个FPGA特殊引脚，包括CLK、GDN和VCC等。 （2）全局互连（global interconnects） 全局连接是FPIC到FPIC的布线源，3个FPIC中每一个都有140根连线连接到其他两个FPIC，这样就会提供280个FPIC到FPIC之间的连接，而每一个FPIC的920个布线网中有280个用于FPIC到FPIC之间的连接，其余640个用于连接FPCB上的部件插孔区域，这样就可以实现部件之间的互连，如图2所示。 （3）总线（bus） 除了通过FPIC的布线网和全局连接来实现部件之间的互连外，还可以通过MP3C提供的一个总线结构来实现互连。MP3C系统共有4个总线模板连接器，每一个模板连接器有40个总线引脚，而一个FPGA能够访问二个总线模板，这就可以获得80个总线引脚。 （4）I/O信号 I/O信号使得MP3C FPCB可以和其他设备之间进行通信，它们是进出FPCB的信号。（5）微控制器（microcontroller） 微控制器能为主机系统和MP3C FPCB上的可重配置FPGA之间的通信提供智能接口，微控制器控制FPCB上的能量时序。微控制器的操作系统是存储在被保护的Flash memory的根块区，仅需128kByte，这个3.4Mbyte的Flash存储器主要用来存储FPIC和FPGA之间的配置数据。 （6）现场可编程互连电路（FPIC） MP3C含有3块FPIC，每一块FPIC有1024个缓冲器，排列成一个32%26;#215;32矩阵形式，FPIC是可重构的双向连接，每一个缓冲器之间都可以任意布线，使得插接到FPCB上的外围设备达到互连，而每一个FPIC之间都有140根连线连接到另二个FPIC中的任意一个，这样，对于每一个FPIC来说就有280根互连线来实现FPIC与FPIC之间的互连。实际上，FPIC就是一个由软件控制的可编程接口，它能使用户对设计的修改变得非常灵活。图2表明了它们之间的连接关系。 1．2 与MP3C配套的EXPLORER软件 Aptix Explorer软件可以提供一个图形用户接口GUI（Graphical User Interface），这上GUI能够生成设计，并对设计进行编辑和调试。通过Explorer软件可以提供一个直观有效的接口来对设计做一系列的操作。EXPLORER软件主要完成整个系统的搭建、FPGA的布局布线和FPCB的编译。其操作步骤如下： （1）设置FPCB参数 用来配置FPCB参数，如说明所使用的FPCB板类型、FPIC序列和说明使用的是那一个FPIC等。 （2）对网表文件（netlist）和设计文件进行设置。 主要输入网表文件和与设计有关的文件，Explorer软件支持EDIF和XNF格式的网表文件。 （3）设置Power和Ground 主要是为了说明在部件和针插孔上的Power和Ground引脚是被拉高还是拉低。 （4）设计节点（net）/终端特征 主要设置节点驱动值，其值的范围为0～100，驱动值的大小决定了节点在FPIC内部的布线顺序。驱动值越大就越先布线，因此，可以优先选择最短的路径。 （5）在FPCB上放置部件 把数字系统设计中的模块放到FPCB上。 （6）对设计进行编译 编译可以使被仿真的部件之间实现布线连接，还能控制Explorer软件和FPCB硬件之间的互连。 （7）对设计进行调试 这是帮助下载带有新信号布线信息的FPCB信息到MP3C硬件上的过程，做完这一步就可以对设计进行验证、测试和调试。 2 Spartan-IIE FPGA 2.1 Spartan-IIE FPGA的组成 Spartan-IIE FPGA提供了创建成本优化、应用灵活、功能丰富的产品所需要的一切，它的开发过程远比任何采用ASIC的方案要容易得多（成本也更低）。该系统板主要包括两个时钟源、通用I/O、电源供给、P160扩展槽、LVD 10位接收和传输端口、开关按钮、7段显示器、JTAG端口、RS-232端口、ISP PROM和XC2S300E-5FG456C FPGA等。其中XC2S300E-5FG456C FPGA和ISP PROM是比较重要的部件。图3是Spartan-IIE开发板内部结构。 2．2 FPGA与PC连接 用Spartan-IIE开发板来配置Spartan-IIE FPGA的方法有很多：可以通过其JTAG端口直接配置Spartan-IIE FPGA；通过编程在板XC18V02 ISP PROM进行配置，一旦ISP PROM被编程，通过配置端口就能直接配置Spartan-IIE FPGA；也可以通过在系统板上的从动并行/串行端口来配置FPGA。图4给出Spartan-IIE开发板支持的Spartan-IIE FPGA配置连接模式。 3 验证系统 用APTIX MP3C和Spartan-IIE开发板实现对数字系统进行验证的系统组成如图5所示。 在这个验证系统中，把需要验证的电路放到MP3C FPCB上，Spartan-IIE开发板通过J6或J7通过I/O口连接到FPCB硬件，Spartan-IIE开发板通过串口/并口号计算机相连，工作站通过网线与MP3C通信，也可以把逻辑分析仪连接到MP3C上，实现对系统的在线观察调试。具体验证步骤如下： （1）用51指令对待验证电路需要的输入信号和激励进行编程，程序经编译后转换成汇编语言，然后写入R80515 IP核以便下载到Spartan-IIE FPGA,d Xilinx ISE软件中对IP核进行仿真和综合后直接通过并口下载到FPGA中。 （2）用CAD软件如OrCAD等完成系统顶层原理图的绘制，需注意其中的接地和电源信号，然后生成网表文件（netlist），把网表文件传到安装了EXPLORER软件的工作站上。 （3）在工作站的EXPLORER软件上完成整个系统的搭建、MP3C相关参数的设置、输入网表文件、生成引脚匹配（pinmap）文件和完成MP3C地址设定等，如果在EXPLORER syslib库中没有所需要的库，还要自己建库，然后就可以进行编译和调试。 （4）用逻辑分析仪或示波器对某些信号进行观察，以便进一步查错和纠错。这种方法可以很方便地帮助用户找到出错的原因。 （5）把验证电路最后输出的结果暂存于Spartan-IIE的存储器中，然后利用串口调试程序在微机上察看结果。目前有很多串口调试程序，如RS-232/RS-485串口通讯程序XP就是一个比较好的程序，如果输出的结果不正确，就需要检查错误原因，错误有可能在硬件方面，也有可能在软件方面，修改之后回到第一步重新进行验证。 4 结束语 笔者用这种方法成功实现了对一个复杂FFT电路的验证。MP3C最具特色的地方就是可编程互连电路板（FPCB）和可编程互连元件（FPIC）的应用，FPIC在FPGA模块之间提供可编程互连使得在整个设计过程中不用对PCB板进行设计和生产，从而节省了费用；在FPGA上实现了数字系统的设计，允许将FPGA直接安装到主板上，可以随着设计FPGA的设计程序重新编制，无需修改其他FPGA，并且可随时利用最新FPGA技术满足更大规模的设计，因此大大增加了设计的灵活性和方便性；还可以对系统进行在线实时修改、调试，方便快捷。MP3C的这些特点大大提高了IC验证的效益。