## FPGA实现的过程
本文翻译自[[https://www.fpgatutorial.com/fpga-build-process/|Introduction to the FPGA Build Process]]

在这篇文章中，我们将讨论FPGA的实现过程。这个过程包括采用现有的基于HDL的设计，并为我们的目标FPGA创建一个编程文件。在这篇文章中，我们介绍了这个过程中涉及的三个主要步骤——合成、放置和路由以及最后的编程文件生成。
在本系列的前一篇文章中，我们讨论了创建FPGA设计的过程。
一旦我们证明了我们的设计工作，然后我们将功能HDL代码转换到实际的FPGA中。
我们通常在三个独立的阶段进行这一过程——合成、放置和路由以及生成编程文件。
我们将在接下来的文章中详细讨论每一个步骤。

### 1. 综合
构建FPGA的第一个阶段称为综合。这个过程将功能RTL设计转换为一组门级宏。这就产生了一个实现RTL设计的扁平层次电路图的效果。
在此上下文中，宏实际上是内部FPGA单元的模型。这可以是FPGA中的任何数字元素，如触发器、[[https://computer.howstuffworks.com/ram.htm|RAM]]或查找表[[https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/getting-started-with-fpgas-look-up-tables-and-flip-flops/|LUT]]。

#### 1.1 综合工具
我们可以使用许多不同的工具来运行合成过程。两家主要的FPGA供应商(Xilnix和Intel)都提供了适用于大多数项目的免费合成工具。
除此之外，我们还可以使用许多开源的合成工具。这些工具中最流行的是[[http://www.clifford.at/yosys/|yosys]]，它经常与[[https://www.latticesemi.com/fpga|Lattice fpga]]一起使用。

我们也可以使用付费工具来实现这一目标。这些工具中最著名的是Synopsys公司的Synplify Pro和Mentor Graphics公司的Leonardo Spectrum。
付费工具通常能够提供比免费工具更优化的网络列表。我们通常只需要大型或高速设计的付费工具。
合成过程至少需要两个输入。
  - 第一个是我们设计的源代码。
  - 我们还需要一个脚本或项目文件来定义合成工具的配置。该脚本通常告诉工具要以哪个FPGA为目标、设计的pinout以及在运行综合时使用哪个策略。
除此之外，创建一个定义设计时间限制的文件也是一种很好的做法。
{{ :fpgabuildprocess.png?800 |}}

我们使用时间限制来定义关于FPGA的细节，这些细节不能在源代码中指定。
这包括时钟频率、时钟域的数量和外部接口的时间等信息。
这些细节决定了合成器在FPGA内优化时间方面所付出的努力。

#### 1.2 逻辑利用率
我们还可以将设计作为合成过程的一部分进行分析。然而，在经过地点和路由处理后，这些信息通常更可靠。
第一个分析是设计的逻辑运用。该分析详细说明了我们的设计使用了多少种不同类型的FPGA单元。
设备中的单个单元因芯片而异，也因厂商而异。
几乎所有现代芯片都将包括RAM、某种形式的LUT和触发器。
高端芯片还可以包括专用DSP核心、时钟管理模块(如锁相环)以及其他外围接口(如[[https://learn.sparkfun.com/tutorials/analog-to-digital-conversion/all|ADC]]或专用高速接口)。
在完成合成过程后，我们可以生成一份报告，告诉我们在我们的设计中使用了多少细胞，包括绝对数量和设备中所有可用细胞的百分比。
在运行合成过程后，我们经常会发现我们的设计对于我们的设备来说太大了。当这种情况发生时，我们有很多选择。
通常可以通过改变合成工具的配置来降低利用率。这方面的例子可以是改变[[https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/encoding-the-states-of-a-finite-state-machine-vhdl/|有限状态机FSM编码]]或选择不同的合成算法。
如果我们的设计只比所选的FPGA稍大一点，那么这种缩减就足够了。
如果这不能充分降低利用率，那么我们必须选择一个新的FPGA或使我们的原始代码更有效。

#### 1.3 时序分析
我们还可以分析我们的FPGA的时序后，我们已经运行了综合。
我们使用这种分析来确定FPGA是否能够以所需的频率运行我们的设计。
当我们的设计不能在期望的频率运行时，我们不能确定将不会有计时违规的内部触发器。因此，我们不能保证我们的设备能按预期运行。
我们通常根据地点和路线的过程来更详细地分析设计的时间。由于时序依赖于FPGA中单元的位置，因此遵循此过程得到的结果更准确。

#### 1.4 综合后仿真
在合成过程中，我们可以要求该工具在VHDL或verilog中生成一个网表。
这个过程还会产生一组时序延迟，以模拟信号通过FPGA的传播。
然后，我们可以使用这些信息来运行我们的综合网表的模拟。
因为这些模拟也模拟了我们的设计时间，所以它们提供了我们最终设备行为的更准确模型。
我们通常使用verilog生成合成后的仿真模型，而不管我们在设计中使用的语言是什么。
这样做的原因是基于verilog的模型比等效的VHDL模型更容易模拟。这对于合成后的模拟尤其重要，因为它们通常有很长的执行时间。
运行合成后的模拟有两个主要优点。
首先，这些模拟有助于确保生成的网络列表与原始RTL模型的行为相匹配。
其次，可以更仔细地考虑芯片的时序。这有助于我们找到可能与计时错误相关的bug，如竞争条件或计时违规。
尽管运行后合成模拟有一些优势，但我们通常不会将其作为设计流程的一部分。
原因之一是这些模拟需要很长时间运行。合成后的模拟需要几天时间来运行一组完整的测试，这种情况并不少见。
另一个原因是，我们还可以在由位置和路由工具生成的网络列表上运行模拟。
由于这些网表更能代表最终的硅解决方案，所以最好使用这个网表来执行任何计时模拟。

### 2. 布局和布线
在完成综合之后，我们需要将网络列表映射到FPGA中的实际资源。这个过程被称为地点和路线，它实际上由几个不同的步骤组成。
通常，这个过程的第一阶段涉及优化网络列表。我们使用这个过程来删除或替换网络列表中任何冗余或重复的元素。
然后将优化后的网络列表映射到FPGA中的物理单元，这通常称为放置。
在完成放置过程之后，我们将运行一个称为路由的过程。
我们使用构建过程的这一部分来定义所选FPGA中不同单元之间的互连。
为了满足设计的时间要求，我们经常会执行这个过程的几次运行。然而，地点和路线工具负责根据我们的配置安排这些多次运行。
当我们的设计难以满足时间要求时，通常会增加允许工具运行的次数和类型。

#### 2.1 布局和布线工具
对于Xilinx或英特尔部件，没有第三方的定位和路由工具，这意味着我们必须使用特定于供应商的工具。这些都可以免费下载，不过也有付费版本。
也有这些工具的付费版本，虽然它们通常只需要针对高端fpga的设计。
对于Lattice fpga来说，开源nextnr软件是一个流行的位置和路由工具。
根据我们设计的大小，地点和路线的过程可能需要几个小时才能完成。
与合成过程一样，位置和路线工具需要大量输入才能正确运行。
我们使用综合工具生成的网络表是最重要的输入。这个网络列表通常是一个.edf文件，尽管不同的工具会有所不同。
我们通常还使用一个项目文件或脚本来确定位置和路由工具的配置。
我们用它来定义重要的信息，如FPGA部件号和包。除此之外，我们还使用这个脚本来定义位置和路由工具的配置。
我们还需要为工具提供一个约束文件，该文件定义了我们的设计的时间特征。这通常与我们在合成过程中使用的文件相同，该文件定义了有关时钟频率和域的信息。
我们还使用一个约束文件来定义我们的设计的物理特征，这是我们在HDL代码中无法描述的。至少，这将包括输入和输出到设备物理引脚的映射。

{{ :fpgaplacerouteprocess.png?800 |}}

#### 2.2 时序和利用率
与合成过程一样，我们可以在地点和路线完成后生成许多报告。这允许我们进一步分析我们的设计，以确保它正确工作。
我们通常在完成地点和路由过程后运行使用报告。
该报告详细说明了我们使用FPGA实现我们的设计的不同单元的数量。
这个报告和我们在合成过程中生成的报告一模一样。然而，当我们在完成地点和路由过程后生成该报告时，它会更准确。
在完成地点和路由过程后，我们通常执行的另一个分析是静态时序分析(STA)。
在我们的设计中，我们使用这个过程来计算通过所有逻辑链的延迟时间。通过计算这些信息，位置和路由工具可以确定芯片是否能够在指定的时钟频率下运行。
地点和路线工具可以在最坏和最好的情况下进行分析。然而，在硅的最坏情况下，更常见的是出现时间问题。
我们通常将STA报告作为设计验证的关键部分。
如果我们的设计失败了STA，那么我们不能保证FPGA将可靠地工作。当这种情况发生时，我们要么必须使用不同的设置再次运行实现流程，要么必须更改设计。

### 3. 编程文件生成
FPGA设计实现的最后阶段是编程文件的生成。
我们通常使用位置和路由工具来生成我们的编程文件。
但是，我们通常将其作为一个单独的进程运行。
只有在位置和路由流程生成了它的输出后，该流程才能运行。我们只需要告诉工具我们需要哪个文件类型来生成这个输出。
一旦这个过程完成，我们就可以使用生成的文件来编程我们的FPGA。