FPGA入门者必读宝典：详述开发流程每一环节的物理含义和实现目标（3）

5.5.1测试平台
所谓testbench，即测试平台，详细的说就是给待验证的设计添加激励，同时观察输出响应是否符合设计要求。测试平台，测试平台在做功能仿真、静态仿真和时序仿真的时候都需要用到。刚开始的对于一些初学者，遇到的都是一些简单的东西，测试平台相应的也很简单，用一个文件就可以很清晰的呈现测试结构。对于一些复杂的项目，测试就没有那么简单了，由此还专门产生一个行业——测试行业。这个时候我们要用到一个概念就是结构化测试。

一个完整的测试平台如下图10所示，它是分结构组成的，其中对设计测试结果的判断不仅可以通过观察对比波形得到，而且可以灵活使用脚本命令将有用的输出信息打印到终端或者产生文本进行观察，也可以写一段代码让它们自动比较输出结果。
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图10

测试平台的设计是多种多样，可以使用灵活的Verilog的验证脚本，但是它也是基于硬件语言但是又服务于软件测试的语言，有时并行有时顺序，只有掌握这些关键点，才能很好服务测试。需要说明的一点是，不管大家是已经在用Verilog在写测试平台还是刚学习写测试平台，那么建议大家还是能用到System Verilog中相对Verilog新的语法还是尝试的用，System Verilog是一种趋势，它本身就是向下兼容的第三代的Verilog.

5.5.2 RTL级仿真
这里RTL级仿真属于第一道检测，有些场合称作功能仿真，为了突出和后面的静态仿真的区别，以免在后面介绍静态仿真的时候大家弄的很头大，我们还是这样称呼。它是对工程在寄存器转送级进行的描述时进行测试，查看其在RTL级描述的时候实现的功能的正确性。

关于RTL级仿真，如果设计中设计到原理图输入的话，在一些仿真工具中是不支持的，比如Modelsim，这个时候要进行功能上的验证，可以将原理图转换成HDL描述，或者直接把整个工程转换成LUT门级网表后进行后面要讲到的静态仿真完成。

所有逻辑功能的验证都希望在RTL级做，尽可能的将问题发现在RTL级仿真过程中，减少后面发现问题带来的反复。

5.5.3静态仿真
静态仿真，有些地方给的外号叫门级仿真，确切的说应该是综合后的LUT门级网表。是在综合过程后做的仿真。有些开发平台下将静态仿真具体又分为编译仿真和映射仿真，比如ISE就是这样做的，但是个人觉得应该很少场合做这个编译仿真。静态仿真的目的就是验证当工程到了用LUT门级网表描述的时候，从功能上检查验证工程的正确性。

不管是Altera还是Xilinx的开发平台，都直接支持静态仿真，但是由于各自厂家的仿真器专业性不强，我们还是用第三方仿真工具比较多。这时候在第三方工具下的输入必须是经过综合工具综合出来的涵盖工程所有信息的LUT门级网表文件了。一般专业一点的第三方综合工具是不具备综合功能的，至少我们在使用Modelsim的时候，并没有要求我们添加工程用到的具体的哪一款型号FPGA的信息。这也是静态仿真的外号门级仿真指的是LUT门级网表仿真的依据。

5.5.4时序仿真
时序仿真是在布局布线之后做的，在前面介绍时序约束的时候讲到，布线延时问题影响到了电路的性能的时候可以做时序约束。那么这个延时问题的获得就可以通过时序仿真获得，当然还有一种获得延时出现超载情况，这个属于下面小节介绍的静态时序分析了。

一般情况下，电路进行完布线过程后，会生成一个延时信息文件，我们简称SDF（standrad dealy format）文件，Quartus平台下是以。sdo文件形式存在的。里面含有三种延时信息，分别为最小值、典型值、最大值，存在的形式是最小值：典型值：最大值，一般缩写min：typ：max.这里也体现了，在FPGA里的延时信息是不能够精确获得的，只能是逼近，因为本身同一器件中，不同的区域的逻辑门也很有可能和其他的区域内同种的逻辑门的延时不一样。我们这里举一个例子来说明一下这三种值的含义。
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图11

如上图，这是一个描述一段延时线的延时信息，给的延时信息从in端点到out端点，输入发生跳变后，分别以最小值、典型值和最大值将信号跳变传递到out端点。我们这里只是一段延时线，在延时信息文件里还有一类延时信息，就是一些具有逻辑功能的cell延时，这个时候信号跳变又分为由高变低和有低变高，因为这两种跳变在这些器件里的三种延时值是不一样的，得分别探讨，具体分别以某一种情况类推。

在做后仿真的时候，只需要在做完静态仿真后的基础上添加布线的延时信息后，再分析逻辑功能是否满足要求。后方针的平台使用情况和前面一样，一般采用第三方仿真工具，典型的是Modlesim，具体操作过程见软件相关操作章节。

5.6静态时序分析
静态时序分析，简称STA（Static Timing Analysis），这个过程做的话一把是在是做后仿真前做的。在布局布线后，会生成时序分析报告，该报告是分析工具利用从布线的路劲上提取出寄生参数后精确计算出来的。该报告中会提示出一些关键路径，所谓关键路劲就是指延时信息比较突出的信号节点流，通过分析可以得到不满足时序要求的路径，这个过程就是STA过程。

静态时序分析的特点就是不需要输入向量就能穷尽所有的路径，且运行速度很快、占用内存较少，不仅可以对芯片设计进行全面的时序功能检查，而且还可利用时序分析的结果来优化设计。很多设计都可以在功能验证的成功的基础上，加上一个很好的静态时序分析，就可以替代耗时非常长的后仿真了，这是一种很有保障性的化简流程方式。后仿真相对静态时序分析来说还具有逻辑验证，在加上延时信息的基础上分析逻辑。

5.7在线调试
在线调试也称作板级调试，它是将工程下载到FPGA芯片上后分析代码运行的情况。有人会以为，我们不是已经做了仿真了，甚至是时序仿真都通过了，还会存在问题么？在实际中，存在这么些情况我们需要用到在线调试：

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图12

仿真不全面而没有发现的FPGA设计错误。很多情况下，由于太复杂，无法做到100%的代码覆盖率；

在板级交互中，存在异步事件，很难做仿真，或者仿真起来时间很长，无法运行；

除了本身FPGA外，还可能存在板上互连可靠性问题、电源问题和IC之间的信号干扰问题，都可能导致系统运行出错；

其他潜在问题。

5.8.1 FPGA配置过程
在FPGA正常工作时，配置数据存储在SRAM中，这个SRAM单元也被称为配置存储器（configure RAM）。由于SRAM是易失性存储器，因此在FPGA上电之后，外部电路需要将配置数据重新载入到芯片内的配置RAM中。在芯片配置完成之后，内部的寄存器以及I/O管脚必须进行初始化（initialization），等到初始化完成以后，芯片才会按照用户设计的功能正常工作，即进入用户模式。

FPGA上电以后首先进入配置模式（configuration），在最后一个配置数据载入到FPGA以后，进入初始化模式（initialization），在初始化完成后进入用户模式（user-mode）。在配置模式和初始化模式下，FPGA的用户I/O处于高阻态（或内部弱上拉状态），当进入用户模式下，用户I/O就按照用户设计的功能工作。

5.8.2举例——altera FPGA配置全过程
一个器件完整的配置过程将经历复位、配置和初始化等3个过程。FPGA正常上电后，当其nCONFIG管脚被拉低时，器件处于复位状态，这时所有的配置RAM内容被清空，并且所有I/O处于高阻态，FPGA的状态管脚nSTATUS和CONFIG_DONE管脚也将输出为低。当FPGA的nCONFIG管脚上出现一个从低到高的跳变以后，配置就开始了，同时芯片还会去采样配置模式（MSEL）管脚的信号状态，决定接受何种配置模式。随之，芯片将释放
如果需要重新配置FPGA，就需要在外部将nCONFIG重新拉低一段时间，然后再拉高。当nCONFIG被拉低吼，nSTATUS和CONF_DONE也将随即被FPGA芯片拉低，配置RAM被清，所有I/O都变成三态。当nCONFIG和nSTATUS都变为高时，重新配置就开始了。

5.8.3配置模式
这一块分成两部分，一部分是在线调试配置，另一块是固化，即将工程配置到相应存储单元中，上电后，通过存储在存储器中的内容配置FPGA.

在线配置
第一部分在线调试配置过程是通过JTAG模式完成的，如图13所示，在JTAG模式中，PC和FPGA通信的时钟为JTAG接口的TCLK，数据直接从TDI进入FPGA，完成相应功能的配置。

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图13

JTAG接口是一个业界标准接口，主要用于芯片测试等功能。FPGA基本上都可以支持JTAG命令来配置FPGA的方式，而且JTAG配置方式比其他任何方式优先级都高。JTAG接口有4个必需的信号TDI， TDO， TMS和TCK以及1个可选信号TRST构成，其中：

TDI，用于测试数据的输入；

TDO，用于测试数据的输出；

TMS，模式控制管脚，决定JTAG电路内部的TAP状态机的跳变；

TCK，测试时钟，其他信号线都必须与之同步；

TRST，可选，如果JTAG电路不用，可以讲其连到GND.

固化
第二部分固化程序到存储器中的过程可以分为两种方式，主模式和从模式。主模式下

FPGA器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程；从模式下则由外部计算机或控制器控制配置过程。主、从模式从传输数据宽度上，又分别可以分为串行和并行。

（1）主串模式

主串模式是最简单的固化模式，如图14所示，这个模式过程不需要为外部存储器提供一系列地址。它利用简单的脉冲信号来表明数据读取的开始，接着由FPGA提供给存储器时钟，存储器在时钟驱动下，将数据输入到FPGA Cdata_in端口。

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图14

（2）主并模式
主并模式其实和主串模式的一样机理，只不过是在主串的基础上，同周期数内传送的数据变成8位，或者更高，如图15.这样一来，主并行相比主串行的数度要优先了。现代有些地方已采用这种方式来配置FPGA的了。

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图15

FPGA入门者必读宝典：详述开发流程每一环节的物理含义和实现目标（3）