作者： Austin Lesea，文章来源：复及科技
编者按：
长期以来，人们对用FPGA实现的创新大张旗鼓，对里面使用的FPGA保持秘而不宣。
号称对专利最为开放的马斯克，旗下Starlink卫星中的星载FPGA平台，网上公开的信息寥寥，更趋封闭保守之势。
据说在赛灵思芯片应用开发过程中，调试验证方面就曾遇到大麻烦。
不管是利用FPGA的硬件仿真功能，加速IC设计左移；或者在终端市场上用于制造产品，直接来自厂商的技术支持非常重要，其对器件底层技术细节足够了解，拥有芯片的关键Know-How。
在IC设计行业，有调试是硅前验证“最后一公里”之说。
在垂直细分市场，当形容FPGA应用开发的高质量时，也常奉上“设计团队在这款芯片上实现的性能，厂商专家认为已经是器件本身的极限”的溢美之词。
或者是“在航天应用中之所以能够使用商用级FPGA(Commercial COTS)，得益于对辐射效应的理解，以及在FPGA设计、板卡级的最佳缓解策略实现”等等。
EDA硬件辅助验证行业，一直代表了FPGA最先进的调试水平，在某种程度上，也引领了验证技术发展趋势。
其中，IC物理原型验证服务稳居第一的新思科技，2011年时联合龙头厂商赛灵思，共同出版了“原型设计的最佳实践”一书。
由芯片厂商的首席工程师亲自捉刀，负责撰写基于FPGA的原型设计、芯片硬件和调试软件概述。
虽然本文以采用40nm工艺的第六代Virtex，容量最大的LX760为对象，重点介绍当时FPGA结构，但涉及的调试验证工具和方法，具有普适性。
包括与软件调试类似的设置硬件断点、单步功能，以及快速便捷获取信号的可见性等，对所有FPGA用户不但具有通用价值，至今仍很先进。
特别是对于28nm工艺的FPGA，以及后续更先进芯片器件，更具实用价值。
芯片规模越大，应用开发更为复杂，就越需要。
以下为正文：
FPGA的强大不仅取决于芯片自身的功能，也与相关EDA工具的支持和使用密不可分。
FPGA概览
FPGA芯片是IC物理原型设计的基座，SoC设计的最终实现平台。
经过多年发展，作为异构架构的超大规模逻辑阵列，以令人印象深刻的时钟速率运行，FPGA芯片的进步，与整个半导体技术的发展步调一致。
而且随着架构的持续改进和工艺技术的发展，芯片容量保持急剧增长，并完美契合摩尔定律发展路线。
在部分架构中使用3D IC技术，使得FPGA更是超越摩尔定律。
目前赛灵思最新的第六代高性能Virtex FPGA系列，由Virtex-5架构演变而来，具有增强的功能、更大的容量、更高的性能和更低的功耗。
与上一代容量最大的LX330相比，Virtex-6 LX760的逻辑资源(LCs)增加了一倍以上、触发器（FFs）更是增大近5倍，可以更好地支持流水线设计。
让我们花一些时间，从基本逻辑块开始，以及每个模块对基于FPGA的原型设计任务的作用，先大致了解FPGA技术。器件和相关结构的完整细节，可通过本书附录中的参考书目和相关资料，进一步查阅。
Configurable Logic Blocks
可配置逻辑块CLB
CLB是硬件设计必不可少的构建模块，由两个Slice组合而成，以阵列的形式排列在芯片内部，通过互连资源相互连接，并与其他类型的资源连接。
设计中的时序和组合逻辑，由CLB中的Slice实现，包含查找表(LUT)、存储单元(DFF)和附加的级联逻辑等。
典型的4输入LUT的核心是16×1 RAM，用于创建一个包含四个输入和一个输出的逻辑函数，也就是“命令”16位RAM模拟一个逻辑功能。
事实上，我们可以把16位RAM看作早先的卡诺图，这也是编程的一种方式。因此奇偶校验、异或、与、或等逻辑函数，可以有效打包到最少数量的lut中，用于执行所需功能。
lut并不是一个独立单元，而是被嵌入到其他结构中，包括FF、进位链、算法、存储器和其他复杂结构。
算术函数也可以放在lut中，并且在器件中也有硬连线的预进位逻辑，性能可能比单独使用lut得到改善。
Virtex-6中包含6输入LUT（即64位RAM），用于实现六输入的函数生成器，可以实现任意定义的布尔函数。通过综合工具编程，根据需要从硬件编程语言编写的设计中创建LUT内容。
最后在器件下载配置完成后加载LUT RAM，从64位RAM创建一个复杂的6输入功能。
LUT memory and block memory
LUT存储器和块存储器
块存储器资源(BRAM)对于较小的内存非常有用，是FPGA中第二重要的资源。可以选择从小型寄存器文件、移位寄存器到大规模ram的存储器类型。
作为主要的构建模块，BRAM可以组合使用，用来模拟更深或更宽的存储器。这通常由综合工具执行，自动判断，将较大的内存划分到多个BRAM中。
面向流片的IC物理原型设计，包括多种不同类型的存储器，例如RAM、ROM、内容可寻址。在绝大多数情况下，这些存储器从单元库或内存生成器程序实例化得到。
需要FPGA能够尽可能高效地表示这些存储器，通常需要专用工具来实现这一转换过程。
但常规FPGA应用开发和产品原型，不需要考虑这样的转换问题。
DSP resources
DSP资源
对于设计中包含的算术功能，如乘法器、累加器和其他DSP逻辑，FPGA通过提供有限数量的专用DSP块来满足这些需求。
在Virtex-6系列中被称为DSP48E1块。
这些专用的、可配置的、低功耗的DSP Slice，结合了高速度和小尺寸，同时保留了系统设计的灵活性。
除了可以通过DSP Core 实例化进行模式配置之外，大多数特征都是由综合工具自动推断出来的。
Clocking resources
时钟资源
常规FPGA应用开发和IC物理原型设计，时钟资源和时钟网络是两者之间的主要区别。
后者几乎可以完全自由地指定尽可能多的时钟网络，但在FPGA中可以实现多少时钟网络，则是有实际使用限制的。
如果IC设计团队未能有效将时钟映射到FPGA时钟资源，可能会导致重大的项目延迟。
但FPGA应用开发，通常不需要考虑这样的时钟映射问题。
时钟资源可分为时钟生成和时钟分配：
时钟生成
由时钟管理块CMT的可配置单元中生成，在Virtex-6 FPGA中，包括两个混合模式时钟管理器（MMCM）。
这是一种基于锁相环（PLL）架构的多输出频率合成器，具有增强的功能和能力。CMT中的每个MMCM都可以单独处理。
时钟生成作为FPGA中的关键模块，许多时钟特性不能交由综合工具自动推断，必须实例化到RTL的FPGA版本中。
时钟分布
几十年来，器件厂商一直在努力生产具有尽可能多时钟的器件，同时又不浪费面积资源。因此，FPGA非常适合实现有限数量时钟网络的常规同步电路。
为了提高效率，在大多数芯片中提供了不同时钟资源的层次结构，从全局低倾斜时钟到本地低扇出时钟。并且，确保时钟资源的良好使用是综合工具和布局布线工具的任务，但有时可能也需要人工干预。
在Virtex-6中提供五种不同类型的时钟线，以满足高扇出、低传播延迟的不同时钟要求，并实现跨芯片的低倾斜。
时钟分布资源通常由由综合工具自动推断，但如果需要区域时钟，则通常需要设置位置约束，以便将时钟负载与特定区域关联起来。
input and output
输入输出
在Virtex-6器件中，每个I/O引脚都是可配置的，可以符合多种I/O标准，最高使用2.5V。除了供应引脚和一些专用配置引脚外，所有其他封装引脚都具有相同的I/O功能，仅受某些Bank/分组规则的限制。
I/O是设计RTL设计顶层IO，以及FPGA间连接的主要构建块。默认的单端I/Os和DDR I/Os会被自动推断出来。
通过综合工具读取约束管理器中的属性，分配选择不同的I/O类型，然后传递给布局布线工具。iodelay和I/O SERDES则只能通过Core实例化来包含。
Gigabit transceivers
高速收发器
越来越常见的是高速串行通信通道，在ASIC和SoC设计的硅前验证、即IC的芯片物理原型阶段，用于通过背板或设计之间的长距离信号收发。
在RTL设计中，它们总是作为黑盒实例化，并引用最终芯片布局中的物理I/O。我们将在后面的章节中看到如何在基于FPGA原型中处理这个问题。
要在FPGA中对这些超高速串行收发器进行建模，需要专门的片上电路，包括能够处理高数据速率下信号完整性问题的差分I/O。
反过来，接收器基本上是一个串行转换器，将输入的位串行差分信号转换成并行的字流，每个字的宽度为8、10、16、20、32或40位。接收器接收输入的差分数据流，通过可编程均衡器（补偿PC板和其他互连特性）将其馈送，并使用FREF输入，初始化时钟识别过程。
GTX虽然是一个非常强大的功能，但由于它们的复杂性和可配置选项，不会被综合工具自动推断出来，但可以通过对Core进行实例化来添加。
Virtex-6系列每个都有8到36个（GTX）电路，但LX760 除外，该芯片不具有GTX功能。
Ethernet, PCI Express®, CPU etc
内置IP
FPGA在实现媒体访问控制器（MAC）和物理接口收发器（PHY）的标准接口方面变得越来越有能力。
如果选择的FPGA具有内置的这些功能，那么这些可以用来替代那些最终将嵌入到SoC中，但可能在RTL中显示为黑盒的物理IP块。
在Virtex-6 FPGA中，PCIe和以太网MAC和PHY已被集成到芯片内部。
一些芯片内部还包括CPU硬核，通常是某种类型的ARM IP核。这些IP核针对FPGA进行了优化，并且在综合到FPGA时，将以比等效SoC的RTL(软核CPU)高得多的速度运行，通常可快十倍。
此外，当今大多数SoC设计都运行多个CPU内核，通常具有不同的功能或配置。
虽然内置IP功能强大，但硬IP模块不会被综合工具自动推断出来，需要通过IP核的实例化来完成。
System monitor
系统监控
FPGA内置监视器对于避免因错误操作而造成器件损坏至关重要。
如果高速运行的硬件设计未能按预期执行，或者受到错误的影响，将引起功耗，温度，电压的异常。
每个Virtex-6 FPGA包含一个系统监控电路，提供温度和电压信息。
默认情况下，系统监视器对片内ADC传感器输出进行连续采样。最新的测量结果以及最大和最小读数存储在专用寄存器中，以便随时通过DRP或JTAG接口访问。
报警限制可以自动指示温度过高或者电压超限，启动掉电保护。
系统监视器不需要在设计中进行显式实例化。
一旦建立了适当的电源连接，就可以通过JTAG测试访问端口（TAP）随时访问测量数据，甚至可以在配置之前或断电期间访问。
这个模块主要是一个“管理”监视器，通常在实际设计之外，通常通过JTAG链读取设备和系统的健康状况。如有需要，也可以通过实例化来包含片内ADC传感器。
截至目前，我们已经看到综合工具的任务是将设计映射到可用的FPGA资源中。自动化程度越高，构建FPGA原型的过程就越容易越快速。
IC物理原型设计的三大原则
对于原型设计流程中的"综合、FPGA结构适配、多FPGA设计分割、布局布线"步骤，需要专门考虑原型验证的三种特殊情况。
Law 1: 芯片设计规模可能比单个FPGA更大
此时，需要将设计划分为到多个FPGA芯片上进行调试验证。这是EDA硬件辅助验证行业特有的Partioning技术，即通过图划分将多块FPGA“拼接”为严丝合缝的统一硬件平台。
随着单个FPGA的硬件容量变得更大，由1块FPGA、2-4块FPGAs提供的原型验证服务，已经能满足70%以上的IC设计需要。
Partitioning Flow
用户可以在RTL源码或者综合后的网表级别，按需手动划分；也可以使用服务供应商的EDA工具，对设计进行自动分割，如新思科技的Certify等。
Law 2: 芯片设计的运行速度比FPGA快
前者的速度由时钟资源和硬连线决定，频率可以高达数GHz。
而FPGA芯片有限的时钟资源、大量布线带来的时间开销，就算速度最快的单FPGA，运行速度也只是在数百MHz左右。
对于由多FPGA构成的原型平台，除了时钟资源限制，有限数量的IO引脚通常是比设备容量或单FPGA性能更大的主要限制因素。
EDA硬件辅助验证行业特有的管脚时分复用技术，将不同的信号多路复用到同一条线路上，在芯片之间传递同步信号，进一步降低了“拼接”而成硬件平台的运行速度。
单FPGA的性能自然是最快的，用户不需要考虑针对超大规模IC才会使用的诸多专有技术。
Law 3: 芯片设计代码并非直接映射到FPGA上
IC设计的代码需要作相应的改动，才能适配到FPGA硬件平台。
所以在IC设计行业，将设计部署到FPGA上进行原型验证，根据复杂程度和供应商的配套工具表现，用户需要少则几天，长达数周以上的Bring-up过程。
除了多FPGA的设计分割，另一个耗时的任务就是RTL Modification，即代码适配。需要将IC设计源码中定义的时钟资源、存储资源等，进行相应的转换适配，才能高效映射到FPGA芯片上。
综合工具在很大程度上，就是用自动化能力帮助用户更好应对“原型设计三定律”：
1) 将设计划分到多个FPGA上运行，需要进行分割Partitioning；
2) 在多FPGAs上尽量减少性能损失，需要对管脚进行时分复用TDM；
3) 对设计进行的相应改动，才能适配FPGA结构。
所以在性能(Speed)、设计容量(Capacity)和调试可见性(Debugging&Full Visibility)方面，具有不可兼得三角关系。
硬件容量越大，多片FPGAs协同工作的运行速度越慢，调试难度相应也就越大。
简单来说，针对超大规模IC设计的三大专有技术，分别对应设计分割、管脚时分复用、RTL代码适配等，也是EDA厂商提供原型验证服务的三个收费点，或者说最大的服务价值。
如果在设计可以在一块FPGA上完成，就只需RTL代码移植和适配，遵从第三个原则即可。
对于FPGA应用设计，三大原则都不存在。
但调试是所有用户的刚性需求。
调试方法及工具
信号可见性或者可观测能力必不可少，一般通过探针访问设计的内部节点、设置事件触发器等方式获取。
由FPGA厂商提供的现有调试手段，通常是在让用户在设计中增加一些捕获逻辑，用于根据可编程事件将选定的信号抓取到芯片内部未使用的BRAM中，接着在捕获完成后，再使用JTAG从FPGA读出信号。
可以用多种方式查看，例如通过波形或直接在源代码中显示信号值。
用户可以在综合之前，在RTL中实例化捕获逻辑；也可以在综合后网表级别植入捕获逻辑，使RTL保持完整。
此外，一些工具还允许快速修改FPGA配置，而无需经历通常冗长的布局布线过程。
Design instrumentation for probing and tracing
在设计中植入探针
在设计启动过程中，如果不能正常工作，需要进行状态诊断，并了解其行为。即使设计初始化完成，成功启动，在运行过程中，也可能出现非预期的行为。
在这两种情况下，FPGA和其他组件I/O引脚提供的可见性，可能不足以应对这种情况。
在FPGA中实现的内部信号探测技术分为两大类：实时信号探测和非实时跟踪捕获。
以下是用于提升调试效率的技术和工具介绍：
Real-time signal probing: embedded test points
实时信号探测：嵌入测试点
实时信号查看是最简单的探测设计内部节点的方法。用户直接修改设计，并将内部节点引出到FPGA管脚，实时查看(Add test points to RTL)。
设计中的待观测信号，使用逻辑分析仪或示波器进行设计分析。
除了信号探测，还可以用于发现竞争条件和意外的“小”信号（“runt” signals）。
这种方法的优点是只需要很少的路由和逻辑资源，甚至可能不需要消耗逻辑资源。
缺点是用户想查看不同信号或一组信号时，必须进行RTL更改，重新经历综合和布局布线过程。
另一种可快速修改RTL设计的方法，是直接使用赛灵思FPGA Editor。
该工具可直接在网表级别进行设计编辑和修改，用户可以添加设计元素，如引脚，并将它们连接到需要探测的节点。
需要注意的是，尽管FPGA Editor工具非常强大，但使用起来也很复杂。因此，通常只有专家级工程师才会使用到这个编辑器工具。
就像生物医药领域的“基因剪刀手”一样使用，可对电路节点进行精细控制和修改。
Real-time signal probing: non-embedded debug port
实时信号探测：非嵌入式测试点
有专用的EDA工具，例如Synopsys的CHIPit系统。从每个FPGA保留固定数量的引脚，并将它们路由到电路板上的探测点，作为调试端口，外接逻辑分析仪。
用户可以使用按层次展开的设计信号列表，选择待观测的目标信号。然后再通过工具自动调用FPGA Editor，直接修改布局布线后的网表，将目标信号连接到探测点。
缺点是有可能使用的不是最佳互连资源，优点是不需要重新编译，即无需综合、布局布线过程，从FPGA内部逻辑到调试端口的连接只需要很短的时间。
能够快速提取信号并在示波器上观察，在调试过程中也是非常有用的。
Non real-time signal tracing
非实时信号跟踪技术
直接使用外接示波器、逻辑分析仪器进行FPGA信号观测，采样速度最快，但需要更改RTL并进行重编译；FPGA Editor没有硬件重新编译过程，但使用门槛高。
两种方式可用于探测的引脚数量有限。
但非实时信号跟踪，由于使用了不同的探测机制，绕过了以上两大限制，是前者的强力补充。
没有硬件重编译过程，可以读取任意信号值。
可以直接使用赛灵思FPGA芯片的“回读”特性(Readback)，也有相应的EDA工具。
后者由调试软件和辅助硬件两部分共同组成，对FPGA内部进行信号捕获。辅助硬件位于FPGA内部，并事先添加到设计模块中，用于监控和捕获用户选择的一组信号。
先在调试软件中设置触发条件和信号捕获类型，再由辅助硬件利用FPGA芯片的“回读”特性，通过JTAG端口读取设计中的所有寄存器(FF)的值，以及BRAM数据。
最后，使用JTAG配置下载线缆，将捕获的信号数据从FPGA内部捕获缓冲区传输到主机上。
这些数据既可以在调试软件中观测，也可以通过其他波形显示工具查看。
也可利用赛灵思的快速并行配置接口SelectMap等更快配置通道，如Synopsys的CHIPit调试工具，就使用SelectMap通道，对寄存器数据快速回读捕获。
非实时信号跟踪技术和工具，对于单FPGA调试，非常有用。
These tools are extremely useful for an individual FPGA debug.
除了捕获故障现场数据，用作“事后”分析之外，有些EDA工具还提供“交叉触发”功能，用于与外部测试工具（如信号发生器、软件调试器）进行同步，从而有助于对跨系统捕获数据进行关联。
Signal tracing at netlist level
网表级别的信号跟踪
赛灵思提供的FPGA调试工具，ChipScope的工作原理是在设计中添加额外的探针逻辑，用于通信、触发和跟踪捕获。
植入的探针逻辑与目标设计保持同步，并且与被采样逻辑使用相同的系统时钟，从而避免了采样建立时间和保持时间问题。
需要注意的是，跟踪捕获操作实际上是采样FPGA内部节点上的活动，数据分辨率将仅与捕获时钟相同，所以不能用于信号的时序分析。
不论是将在RTL中直接实例化调试IP Core，还是在综合后网表级别选择需要跟踪的信号，都能进行探针植入。
一旦设计下载到FPGA中，其调试过程是完全相同的。
用户通过JTAG下载电缆与逻辑分析模块通信 ，设置触发条件、捕获模式等。当满足触发和捕获条件时，从FPGA传输捕获的数据，并在主机的软件界面中显示。
Signal tracing at RTL
RTL信号跟踪
新思科技的Identify，其工作方式与ChipScope工具类似，RTL源码中植入探针，而不是像后者那样可以在网表也能植入。
提供信号选择和监视机制，使用户能够更容易地触发跟踪捕获，并将捕获的结果数据与RTL设计进行关联溯源。
Identify由两个子工具组成，RTL植入逻辑(硬件)和RTL调试器(软件)：植入逻辑本身的关键部分，称为IICE或智能电路仿真器(Intelligent In-Circuit Emulator)，被嵌入到用户的设计中。
IICE包含信号监控逻辑，跟踪捕获和缓冲，以及与主机PC的通信。
跟踪缓冲区通常使用芯片内部一个或多个可用的BRAM。所需BRAM资源的大小取决于要捕获的信号的数量、触发条件以及在更大程度上所需的捕获缓冲区深度。
IICE还包括触发和排序逻辑，用于决定何时进行采样，并通过JTAG与调试软件通信，其中断点和捕获信号的状态在RTL源码中进行高亮显示。
此外，Identify还添加了两个有用的功能，允许我们在设计到达某一行代码时捕获，就像软件工程师调试代码时使用“断点”类似。
另一个是状态注释功能，在使用断点时，使用设计导航工具将信号的状态直接注释到源代码中，用户还可以在源代码行滚动查看采样数据值的变化，大致上类似软件调试工具中的“单步”功能。
调试非常不直观，即使有可见性，也不知道看到的是什么。对于FPGA调试，一直以来工程师普遍抱怨，可见性非常差。
但可见性或者说可观测能力，或者说能够获取尽可能多的数据，是做出正确决策的第一步。
代码是设计出来的，更是调试出来的。
编者后记
随着FPGA规模越来越大，应用设计更趋复杂，同样带来调试验证难度的急剧增加。
2021年，新思科技认为，随着单FPGA硬件规模变得更为可观，调试验证正在超越设计分割、管脚时分复用等专用先进技术，成为EDA厂商新的核心竞争力。
High Debug Productivity is the Prototyping Game Changer
2022年，EDA巨头西门子在IC设计功能验证研究报告中，调试在整个验证过程中已占据近50%的时间。
FPGA应用开发正面临二十年前ASIC设计同样的挑战。
现在28nm主流的FPGA器件，如关键行业用户使用的7K-325T、7V-690T等，曾经也是EDA硬件辅助验证行业十多年前的主要芯片型号。
EDA行业目前最新使用VP1902，单芯片容量高达18.5M LCs，拥有2400亿个巨量晶体管。
同一代的VC1902，容量近2M LCs，从公开的信息看，目前也已进入欧美太空和防务部门的视线，开始进行使用前的测试评估工作。
在更早2008年，使用的还只是Virtex-5 FPGA时，美国航天航空管理局(NASA)启动FVAX(FPGA Verification Accelerator)项目，大量借鉴了EDA行业的调试验证技术。
提升开发质量，加速设计左移。
立足现在，面向未来，拓展EDA硬件辅助验证的服务边界。
复及科技自主开发的forgedaX软件，在计算加速时代，为用户提供经济易用的全新解决方案。
数据可见，设计生产力才能看得见。
可以对所有的FPGA设计进行调试验证。如果是对其它厂商FPGA进行验证，需要用户进行代码迁移部署，就类似简化版的RTL Modification。
比如像空客对包含43块芯片(22个反熔丝高可靠FPGAs，20个ASICs)组成的复杂系统，在赛灵思XCVU440进行验证一样的使用方式。
如果是使用赛灵思芯片进行开发，直接在各类硬件平台上快速部署。
对于关键且重要的行业用户，既有的EDA硬件验证技术远远不够，在FPGA的整个生命周期中，还需要额外考虑功能安全挑战。
是追求绝对可靠的芯片更有保障呢，还是用户在应用层面的设计加固更具性价比？
Tradeoffs in Flight-Design Upset Mitigation in State-of-the-Art FPGAs
我们将介绍Austin Lesea同年发表的专题报告，从赛灵思首席工程师视角，如何高效验证FPGA设计架构的敏感性和脆弱性。
