FPGA仿真器与定制硅仿真器的区别

10多年以来，我一直坚定地支持基于FPGA的硬件仿真系统，并在2013年一直不遗余力地宣传其优势。自那以后，我已成为精通各类硬件仿真专业知识的顾问，但现在来评论FPGA硬件仿真系统与定制硅硬件仿真系统之间的区别似乎有些姗姗来迟。

商用FPGA硬件仿真器与定制硅硬件仿真器之间的根本区别在于映射被测设计(DUT)的核心单元。顾名思义，定制硅硬件仿真器是基于定制器件而造，不可用于商业用途。定制硅硬件仿真器就是采用两个不同种类当中的一个来实现的。

在第一类中，核心单元是专为硬件仿真应用而设计的定制FPGA，但通用FPGA是个糟糕的选择。Mentor Graphics提供一种称为Crystal2的此类器件，并称之为定制片上硬件仿真器，如图1。在第二类中，核心单元包括大量简单的布尔处理器，此类处理器在巨大的内存中执行设计数据结构存储。Cadence供应商称之为“基于处理器的硬件仿真器”。很显然，定制FPGA硬件仿真器与商用FPGA硬件仿真器具有一些相似之处，但仍然具备独特的功能。

图1：Mentor Graphiscs Crystal2“定制片上硬件仿真器”。

定制FPGA硬件仿真器

定制FPGA硬件仿真器由法国初创公司MetaSystems(1996年被Mentor Graphics收购)最先开发并商业化，采用不同于Xilinx和Altera所提供的独特FPGA。该硬件仿真器是基于定制硅上仿真器架构，专为涵盖整个硬件仿真器(包括可配置单元、局部互连矩阵、嵌入式多端口内存、I/O通道、带探测电路的调试引擎和时钟发生器)的仿真应用而设计。

这种方法使用了三个创新点，每个创新点都可提供独特的优势：

●可编程单元的内部互连网络;

●定制FPGA的外部互连网络和I/O结构;

●DUT调试引擎。

可编程单元的内部互连网络

可编程单元的互连网络包括两个不同分级层：位于查找表(LUT)及其集群(Cluster)级别的低层;以及更大块的LUT集群，即所谓的叠块的高层。

可以用空间类推法来描述低层。假设所有的LUT都位于球体表面上，任何两个LUT互连都必须穿过球体中心，则无论两个LUT位于何处，互连导线的长度始终相同。(图2)。

图2：描述低层空间类推法。

上述类推法延伸到更高层级，LUT集群可以分布在更大球体的表面上，并采用相同的方式互连(图3)。这基本上是一个重复相同模式的分形图，从外到内或从内到外移动。高层通过专利结构互连叠块，提供类似于低层固有的优势。

图3：高层级空间类推法。

高层通过微小的交互开关矩阵(有些类似于片上网络(NoC)架构)互连叠块，因此使该结构有别于传统网格互连网络。这种方法可以确保布线可预测、快速和无拥塞。

此外，时钟树通过导线连接到独立于数据路径的专用路径，因而可以预测和重复时序，并通过构造防止时序违规行为，因为数据路径比时钟路径更长。不可预测的时序和保持时间违规行为会破坏商用FPGA的可用性。

与商用FPGA的结构相比，定制方法可以确保时序的确定性和可重复性。该方法消除了布局约束，确保实现简单的布线和快速的编译(图4)。

图4：商用FPGA与定制的对比。

多层互连网络对高容量进行权衡，现可用于最大的FPGA，并支持快速和无拥塞的FPGA布局和布线(P&R)。可以在约五分钟内对一个定制FPGA进行布局布线。即使将最大FPGA的填充率降低至50%或以下，P&R仍可能需要几个小时。

毫无疑问，与使用当前市场上最大的商用FPGA相比(例如Xilinx Virtex-7 XC7V2000T)，映射10亿ASIC等效门设计将需要更多的定制FPGA器件。实际差异可能会小于通过比较内部资源(例如LUT)估算的结果，因为定制FPGA的利用率接近100%，而商用FPGA则为50%左右。

以下因素有助于减轻容量差距：内置的VirtualWire逻辑(用于I/O数最大化而不是消耗LUT);内置的调试引擎(节约留给DUT映射的宝贵的可配置资源);以及一个有效的布线器。

这两种技术都受益于在多个PC分配P&R，但定制方法仍然具有优势。在一系列定制FPGA上对10亿ASIC等效门设计进行布局和布线(在大型模拟场进行操作)可能需要30分钟。在一系列较小的Xilinx Virtex-7上对相同的设计进行布局和布线将需要几个小时。

拥有了该技术，定制FPGA硬件仿真器供应商可以管控运营，优化和定制P&R软件，而这是商用FPGA硬件仿真器供应商无法做到的。因为后者受FPGA厂商支配。

片上硬件仿真器的外部互连网络

片上硬件仿真器的外部互连网络是基于所谓的VirtualWire技术。借助VirtualWire，FPGA集合会自动编译为一个巨大的FPGA，该FPGA不会受到可破坏通过传统方式互连的一系列等效FPGA的潜在时序问题的影响。该技术在开发时仅可用于采用商用FPGA的硬件仿真器。现在，相同的技术已嵌入到片上硬件仿真器。

VirtualWire是基于多个再综合流程(时序、存储器、互连)，此类流程将DUT转换为映射到一系列定制片上硬件仿真器器件的功能等效的设计。

时序再综合使用正确性维护转换来重新定时用户的设计，通过引入单个高速时钟来保护其免受不准确的FPGA延迟。此外，还消除了传统硬件仿真系统的保持时间问题。

存储器再综合实现低成本实施各类存储器(包括宽多端口RAM)，无需构建定制存储卡或使用FPGA存储器。多路复用和存储器共享支持使用快速且便宜的常见SRAM芯片进行存储器硬件仿真。

互连再综合通过在器件固定和有限数量的I/O管脚上增加传输中的I/O信号数，来扩展器件间的通信带宽，并以最大速度进行连接。最终结果是，器件利用率显著提高到约100%，避免拥塞并维护DUT完整性。

在每个I/O管脚增加I/O信号类似于在FPGA原型板上实施I/O数最大化的方法。

VirtualWire实现更为复杂。该技术：

●通过保证局部时序正确性实现全局时序正确性和系统可扩展性;

●提供为所有触发器计时的虚拟时钟，分配单个同步低偏移时钟;

●信号布线和调度受编译器控制，因为信号必须通过已知数量的FPGA。

VirtualWire实现还扩展了带宽，从而可提高FPGA和导线的利用率。多路复用技术可以扩展各级封装的互连带宽，从FPGA间和板间到机箱间，使得分区更容易。

此外，还提供相同的多路复用技术来访问存储器。通过对数据总线进行多路复用，可以使用常见的SRAM芯片构建宽存储器。可以使用SRAM芯片实施多端口存储器。可以在布线和调度步骤中整合存储器调度。

集成设计调试功能

第三个创新涉及定制方法的集成设计调试功能。该方法是基于在芯片内部实施的实时智能数据捕获和安装在仿真板上每个芯片旁边的跟踪存储器，可以确保监控DUT的所有单元。这是通过构造而非编译内部探头实现的。并且还避免了硬件仿真速度下降。

通过将所有LUT和嵌入式存储器输出连接到硅中片上信号探测电路实现全面监控，无需在编译时进行布线。探测电路依次将探测数据定向到快速内存芯片库，该库耦合到安装在仿真板上的定制片上硬件仿真器器件。这样就可预留布线资源来构建设计图片，提高可重新配置硬件的效率(图5)。

图5：预留布线资源来构建设计图片，提高可重新配置硬件的效率。

通过集成触发机制和带图形路径浏览器的内置逻辑分析仪来增强设计调试功能，以加快识别难以发现的缺陷。默认情况下，片上硬件仿真器启用了触发寄存器、强制与解除(force/release)、内存/寄存器读写以及断点保存与恢复。

片上硬件仿真器的缺点

遗憾的是，与最大的商用FPGA相比，定制方法也有缺点，因为定制芯片的容量密度较低。一个缺点是，要映射任何给定的设计尺寸，硬件仿真器将需要更多的FPGA，从而导致物理尺寸更大、重量更重。

粗略地讲，与具有相同设计容量的商用FPGA硬件仿真器相比，尺寸大一个数量级。重量约重5倍。功耗约高4倍以上，虽然比例较低。

商用FPGA硬件仿真器的原始时钟速度更快。据公开数据显示，似乎比片上硬件仿真器快两倍。同样，这源于两种芯片的容量差异。事实上，具有更大容量的现成FPGA可以容纳设计的更大部分，并支持更少的器件以适应整个设计。最终结果是，互连导线更短，传播延迟更快。

但是，若要利用这种功能，则耗时的手动分区始终是必要的。如果没有优化分区和消除跳距——即组合导线跨越多个FPGA——那么在商用FPGA硬件仿真器中，仿真速度可能会下降。原始速度是一回事。真实环境中的实际性能/带宽则是另一回事。