一種快速驗(yàn)證FPGA互連線連接正確性的方法

范繼聰，惠 鋒，徐彥峰，胡 凱

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214072；2.無(wú)錫中微億芯有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

隨著集成電路制造工藝水平的不斷提高，器件特征尺寸不斷縮小，F(xiàn)PGA規(guī)模越來(lái)越大，集成模塊越來(lái)越多，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。FPGA主要由可編程輸入輸出、可編程互連和可編程邏輯組成，其中可編程互連包括可編程互連線和可編程互連開關(guān)。相對(duì)于IO/CLB/DSP/BRAM/SWB等模塊來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA的互連線驗(yàn)證面臨很大的挑戰(zhàn)。不同于有些ASIC芯片可以采用自動(dòng)布局布線的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA的互連需要定制設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中很容易出現(xiàn)互連線短路和開路的現(xiàn)象，如何檢查出這類錯(cuò)誤是非常困難的。當(dāng)前普遍采用動(dòng)態(tài)仿真的方法來(lái)驗(yàn)證互連線的正確性，這種方法不僅速度很慢，而且覆蓋率很低，所以需要一種能夠快速實(shí)現(xiàn)FPGA互連線連接正確的驗(yàn)證方法。本文提出一種基于互連網(wǎng)絡(luò)比對(duì)來(lái)驗(yàn)證FPGA互連正確性的方法，能有效檢查原理圖中互連線的開路和短路情況，具有實(shí)現(xiàn)速度快、覆蓋率高達(dá)100%的優(yōu)點(diǎn)。

2 互連線定義及分類

互連線是FPGA中信號(hào)傳遞的橋梁，隨著FPGA的規(guī)模越來(lái)越大，互連線在整個(gè)FPGA中所占比重也越來(lái)越大。互連線根據(jù)跨度和方向進(jìn)行定義和分類，一般通過(guò)互連線的名字定義互連線類型，F(xiàn)PGA中互連線的名字一般由4部分組成，分別為：

（1）方向：FPGA中互連線的方向采用與地圖方向一樣的定義，既上北（N）下南（S），左西（W）右東（E），通?；ミB線名的第一部分字母代表方向。

（2）跨度：跨度指互連線所跨越可編程邏輯單元CLB的個(gè)數(shù)，一般有2、5和6，通常叫做2倍線、5倍線和6倍線。有時(shí)還有長(zhǎng)線（跨度為18、24等），互連線名的第一部分?jǐn)?shù)字代表跨度。

（3）位置：通常一根互連線包括起點(diǎn)（BEG）和終點(diǎn)（END），起點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)點(diǎn)。有些互連線還包括中間點(diǎn)，是在起點(diǎn)和終點(diǎn)間的一個(gè)抽頭，可以更靈活，通常稱為中間點(diǎn)（M ID），這里“中間點(diǎn)”并不是嚴(yán)格意義上的中點(diǎn)，對(duì)于5倍線來(lái)說(shuō)，中間點(diǎn)一般是在離起點(diǎn)跨度為3的地方，通?；ミB線名的第二部分字母代表位置。

（4）編號(hào)：為了提高布通率，通常FPGA中一類互連線有很多根，為了區(qū)別開來(lái)對(duì)線進(jìn)行編號(hào)，通常互連線名的最后數(shù)字代表編號(hào)。

通過(guò)上述互連線名的定義，可以很清晰地通過(guò)互連線名確定互連線方向、跨度和編號(hào)等信息。圖1所示為常見互連線的示意圖，圖中顯示了5倍線和2倍線，根據(jù)互連線的名字可以很容易地得到互連規(guī)律。

圖1 互連線示意圖

3 互連線驗(yàn)證方法及實(shí)現(xiàn)

FPGA中互聯(lián)線種類豐富、數(shù)量龐大，隨著FPGA規(guī)模的不斷增加，動(dòng)態(tài)仿真一個(gè)用例就需要幾天以上的時(shí)間，驗(yàn)證整個(gè)FPGA互聯(lián)線連接正確需要大量的仿真用例，采用動(dòng)態(tài)仿真方法來(lái)驗(yàn)證互連線的連接正確性逐漸變得不可行。本文基于互連網(wǎng)絡(luò)比對(duì)提出一種快速驗(yàn)證FPGA互聯(lián)線連接正確性的方法，通過(guò)驗(yàn)證FPGA的互聯(lián)資源文件正確性來(lái)實(shí)現(xiàn)互連線的驗(yàn)證。

FPGA中的互連線一般由起點(diǎn)、中間點(diǎn)和終點(diǎn)組成，互連線按照一定規(guī)律從一個(gè)SWB出發(fā)，經(jīng)過(guò)一些SWB，到達(dá)一個(gè)SWB結(jié)束。FPGA中每一個(gè)SWB都有一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)值，可以使用XnYm代表位于第n列第m行的SWB。FPGA互聯(lián)資源中的每一類互連線都會(huì)從每一個(gè)SWB出發(fā)，這樣就可以根據(jù)互聯(lián)規(guī)律得到所有互聯(lián)線的連接信息，將這些連接信息以文本的形式展現(xiàn)出來(lái)，就是所謂的FPGA互聯(lián)資源文件?；ヂ?lián)資源文件包含F(xiàn)PGA內(nèi)部所有互連線的連接關(guān)系，文件內(nèi)部為多行類似X6Y6_ER2BEG0→X7Y6_ER2M ID0→X8Y6_ER2END0的信息，互聯(lián)資源文件為文本文件，便于比對(duì)處理。

圖2所示為本文所述互連線驗(yàn)證方法的整體流程圖，從圖中可以看出，本文所提出的快速驗(yàn)證FPGA互連線連接正確性的方法主要從兩個(gè)方面出發(fā)，一是根據(jù)互連規(guī)律和所設(shè)計(jì)芯片的ARCH文件信息，生成互連資源文件，作為GOLDEN模型；二是對(duì)設(shè)計(jì)好的芯片網(wǎng)表進(jìn)行解析，得到實(shí)際電路對(duì)應(yīng)的互連資源文件，將得到的互連資源文件與GOLDEN模型文件進(jìn)行比對(duì)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)電路互連正確性的驗(yàn)證。

圖2 互連線驗(yàn)證方法流程

要想得到互連資源GOLDEN文件，需要提供ARCH文件和互連規(guī)律。ARCH文件一般提供FPGA芯片中SWB的行數(shù)和列數(shù)信息，SWB在FPGA中二維分布，提供行數(shù)和列數(shù)信息，即可得到整個(gè)FPGA芯片中所有的SWB位置信息。根據(jù)上述互連線的名字可以很容易得到互連規(guī)律。有了芯片的ARCH信息和互連規(guī)律，即可通過(guò)編程語(yǔ)言編寫互連資源生成程序，得到理想的互連資源文件，即互連GOLDEN文件。本文采用perl語(yǔ)言得到互連資源生成程序，生成的互連線連接GOLDEN文件內(nèi)容如圖3所示。

SWB在整個(gè)FPGA芯片中均勻分布，如圖4所示，每一個(gè)SWB都有唯一的名字，可以標(biāo)識(shí)其所在的行和列信息。如果在設(shè)計(jì)FPGA芯片時(shí)采用展開式的設(shè)計(jì)，每一個(gè)SWB的名字都可以采用絕對(duì)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行命名，這樣可以很容易地根據(jù)網(wǎng)表信息提取出整個(gè)芯片中的互連信息。

圖3 根據(jù)互連規(guī)律生成的互連資源文件

圖4 SWB分布

隨著FPGA芯片規(guī)模不斷增大，展開式的設(shè)計(jì)已不適用，當(dāng)前主要采用層次化的電路設(shè)計(jì)，相對(duì)于展開式設(shè)計(jì)，層次化設(shè)計(jì)具有可復(fù)用性，可大大縮小電路文件的大小，同時(shí)提高設(shè)計(jì)速度，縮短設(shè)計(jì)周期。采用層次化的設(shè)計(jì)需要對(duì)電路各個(gè)層次模塊采取有意義的名稱，保證能夠解析得到每個(gè)SWB的絕對(duì)坐標(biāo)。本文提出的驗(yàn)證方法采用如圖5所示的層次化命名，每個(gè)模塊的名稱中都包含坐標(biāo)信息，該坐標(biāo)信息是相對(duì)于本層次的相對(duì)坐標(biāo)信息，根據(jù)各個(gè)相對(duì)坐標(biāo)信息，代入相應(yīng)的絕對(duì)坐標(biāo)求解公式，即可得到每個(gè)SWB的絕對(duì)坐標(biāo)信息。

圖5 層次化設(shè)計(jì)命名示意圖

通過(guò)Virtuoso得到整理好的FPGA整體電路網(wǎng)表文件，編寫網(wǎng)表解析程序，網(wǎng)表解析程序可以根據(jù)整個(gè)電路網(wǎng)表的連接關(guān)系，從每個(gè)SWB的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)開始追蹤連接關(guān)系，這樣可以得到整個(gè)FPGA芯片中的所有互連資源，將追蹤到的所有互連資源集中到一個(gè)文件，即可得到實(shí)際設(shè)計(jì)電路所對(duì)應(yīng)的互連資源文件，其內(nèi)容如圖6所示。每個(gè)SWB的名字以SWB開頭，附帶坐標(biāo)信息。對(duì)上述方式所生成的兩個(gè)互連資源文件進(jìn)行比對(duì)，即可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。如果設(shè)計(jì)中存在互連線開路現(xiàn)象，則通過(guò)設(shè)計(jì)解析得到的互連資源文件中存在不完全的互連線，丟失了開路后的結(jié)點(diǎn)。如果設(shè)計(jì)中存在互連線短路現(xiàn)象，則通過(guò)設(shè)計(jì)解析得到的互連資源文件中存在加長(zhǎng)的互連線，相對(duì)于正常的互連線，多出了結(jié)點(diǎn)信息。

圖6 解析電路得到的互連資源文件

4 結(jié)論

本文提出的快速驗(yàn)證FPGA互連線連接正確性的方法已經(jīng)在實(shí)際工作中應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用表明該方法可以有效地檢查出電路設(shè)計(jì)過(guò)程中導(dǎo)致的互連線短路和開路現(xiàn)象。相對(duì)于傳統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)仿真的驗(yàn)證方法存在仿真時(shí)間長(zhǎng)、覆蓋率低的缺點(diǎn)，該方法采用互聯(lián)資源文件比對(duì)的方法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)線連接驗(yàn)證，因?yàn)榛ヂ?lián)資源文件包含所有的互聯(lián)信息，所以可以實(shí)現(xiàn)100%覆蓋率，采用動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)高覆蓋率需要大量仿真用例，且很難實(shí)現(xiàn)100%覆蓋。同時(shí)生成互聯(lián)資源GOLDEN文件、解析實(shí)際電路得到互聯(lián)資源文件和兩個(gè)互聯(lián)資源文件的比對(duì)都可以在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程可以在一天時(shí)間內(nèi)完成，相對(duì)于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真一個(gè)用例動(dòng)輒需要幾天時(shí)間以上，大大提高了驗(yàn)證效率。該方法具有速度快、覆蓋率高的優(yōu)點(diǎn)，可以快速有效地發(fā)現(xiàn)FPGA設(shè)計(jì)前期所導(dǎo)致的互連線連接錯(cuò)誤，提高FPGA產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期，具有重要的參考和實(shí)用價(jià)值。