在PLD开发中提高VHDL的综合质量

摘　要：介绍可编程逻辑器件的开发流程，叙述EDA工具Quartus II和LeonardoSpectrum在Altera公司CPLD器件开发中的应用，给出提高VHDL综合质量的几点经验。
  关键词：电子设计自动化 可编程逻辑器件 硬件描述语言 逻辑综合
  引 言
  　　随着计算机与微电子技术的发展，电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation）和可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）的发展都非常迅速，熟练地利用EDA软件进行PLD器件开发已成为电子工程师必须掌握的基本技能。先进的EDA工具已经从传统的自下而上的设计方法改变为自顶向下的设计方法，以硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）来描述系统级设计，并支持系统仿真和高层综合。ASIC（Application Specific Integrated Circuit）的设计与制造，电子工程师在实验室就可以完成，这都得益于PLD器件的出现及功能强大的EDA软件的支持。现在应用最广泛的高密度PLD器件主要是现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）和复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）。
  　　EDA软件方面，大体可以分为两类：
较着名的如：Altera公司的 Max+plus II和Quartus II、Xilinx公司的Foundation Series、Latice-Vantis公司的ispEXERT System。
  　　② 第三方专业软件公司提供的EDA工具。常用的综合工具软件有：Synopsys公司的FPGA Compiler II、Exemplar Logic公司的LeonardoSpectrum、Synplicity公司的Synplify。
   
  1 PLD器件的开发
  　　CPLD/FPGA设计越来越复杂，使用硬件描述语言设计可编程逻辑电路已经成为大势所趋，目前最主要的硬件描述语言是：VHDL(Very High Speed Integrated Circuit HDL)和Verilog HDL。两种语言都已被确定为IEEE标准。
  　　用VHDL/Verilog HDL语言开发可编程逻辑电路的完整流程为：
  　　① 文本编辑。用任何文本编辑器都可以，但通常在专用的HDL编辑环境中进行。因为专业的集成开发环境通常提供各种结构模板，并且可以自定义各种要素（例如关键字、字符串、注释等）的色彩显示，提高可读性，提高输入效率。
  　　② 功能仿真。将文件调入HDL仿真软件进行功能仿真，检查逻辑功能是否正确。 　　③ 逻辑优化与综合。将源文件调入逻辑综合软件进行逻辑分析处理，即将高层次描述（行为或数据流级描述）转化为低层次的网表输出（寄存器与门级描述），逻辑综合软件会生成EDIF（Electronic Design Interchange Format）格式的EDA工业标准文件。这步在PLD开发过程中最为关键，影响综合质量的因素有两个，即代码质量和综合软件性能。
  　　④ 适配与分割。如果整个设计超出器件的宏单元或I/O单元资源，可以将设计划分到多片同系列的器件中。
  　　⑤ 装配或布局布线。将EDIF文件调入PLD厂家提供的软件中进行装配（对于CPLD）或布局布线（对于FPGA），即将设计好的逻辑写入CPLD/FPGA器件中。
  　　⑥ 时序仿真。即延时仿真，由于不同器件、不同布局布线，给延时造成的影响不同，因此对系统进行时序仿真，检验设计性能，消除竞争冒险是必不可少的步骤。
  　　利用VHDL语言进行PLD设计开发的基本流程如图1所示。如果选用Altera公司CPLD器件作为目标器件，上述过程可以在Altera公司提供的 Max+plus II或Quartus II集成开发环境中完成，但如果选用专用的EDA综合工具作为补充，完成逻辑优化与综合，设计质量会更好。第三方综合软件的主要功能就是对HDL语言的源文件进行逻辑综合，生成.edf的EDA工业标准文件，然后在PLD厂家提供的开发软件中调入.edf文件，进行编译、仿真、器件编程等过程，最终完成整个设计。针对Altera公司CPLD器件，我们选用Quartus II + LeonardoSpectrum的EDA组合开发方式，更重要的是，广大学习爱好者可以在www.altera.com网站免费获得。下面对两款软件作简要介绍。
  　　
  　
  2 Quartus II软件的应用
  　　Quartus II是Altera公司的第四代可编程逻辑器件集成开发环境，提供从设计输入到器件编程的全部功能。 Quartus II可以产生并识别EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog HDL网表文件，为其它EDA工具提供了方便的接口；可以在Quartus II集成环境中自动运行其它EDA工具。
  　　利用Quartus II软件的开发流程可概括为以下几步：设计输入、设计编译、设计定时分析、设计仿真和器件编程。
  　　（1）设计输入
  　　Quartus II软件在File菜单中提供“New Project Wizard…”向导，引导设计者完成项目的创建。当设计者需要向项目中添加新的VHDL文件时，可以通过“New”选项选择添加。
  　　（2）设计编译
  　　Quartus II编译器完成的功能有：检查设计错误、对逻辑进行综合、提取定时信息、在指定的Altera系列器件中进行适配分割，产生的输出文件将用于设计仿真、定时分析及器件编程。
  　　① 首先确定软件处于Compile Mode，可以通过Processing菜单进行选择。
  　　② 在Processing菜单中选择Compiler Settings项，如(录入编辑：电路图电路网www.dltdl.com)图2所示。可以进行器件选择、模式设定、综合和适配选项设定及设计验证等。
  　　③ 单击Processing菜单下的“Start Compilation” 项，开始编译过程。
  　　④ 查看编译结果。如图3所示，我们可以得到详细的编译报告。
  　　（3）设计定时分析
  　　单击Project菜单下的“Timing Settings…”选项，可以方便地完成时间参数的设定。Quartus II软件的定时分析功能在编译过程结束之后自动运行，并在编译报告的Timing Analyses文件夹中显示，如图3所示。其中我们可以得到最高频率fmax、输入寄存器的建立时间tSU、引脚到引脚延迟tPD、输出寄存器时钟到输出的延迟tCO和输入保持时间tH等时间参数的详细报告，从中可以清楚地判定是否达到系统的定时要求。
  　　（4）设计仿真
  　　Quartus II软件允许设计者使用基于文本的向量文件（.vec）作为仿真器的激励，也可以在Quartus II软件的波形编辑器中产生向量波形文件（.vwf）作为仿真器的激励。波形编辑方式与MAX+PLUS II软件的操作相似。在Processing菜单下选择“Simulate Mode”选项进入仿真模式，选择“Simulator Settings…”对话框进行仿真设置。在这里可以选择激励文件、仿真模式（功能仿真或时序仿真）等，单击“Run Simulator ”即开始仿真过程。
  　　（5）器件编程
  　　设计者可以将配置数据通过MasterBlaster或ByteBlasterMV通信电缆下载到器件当中，通过被动串行配置模式或JTAG模式对器件进行配置编程，还可以在JTAG模式下给多个器件进行编程。利用Quartus II软件给器件编程或配置时，首先需要打开编程器（在New菜单选项中选择打开Chain Description File），在编程器中可以进行编程模式设置（Mode下拉框）、硬件配置（Programming Hardware对话框）及编程文件选择（Add File…按钮），将以上配置存盘产生.cdf文件，其中存储了器件的名称、器件的设计及硬件设置等编程信息。当以上过程正确无误后，单击Start按钮即可开始对器件进行编程配置。
   
  3 LeonardoSpectrum软件的应用
  　　LeonardoSpectrum是Mentor Graphics的子公司Exemplar Logic的专业VHDL/Verilog HDL综合软件，简单易用，可控性较强，可以在LeonardoSpectrum中综合优化并产生EDIF文件，作为QuartusII的编译输入。该软件有三种逻辑综合方式：Synthesis Wizard（综合向导）、Quick Setup（快速完成）、Advanced FlowTabs（详细流程）方式。三种方式完成的功能基本相同。Synthesis Wizard方式最简单，Advanced FlowTabs方式则最全面，该方式有六个选项单，如图4所示，分别完成以下功能：器件选择、设计文件输入、约束条件指定、优化选择、输出网表文件设置及选择调用布局布线工具。
需要注意的是，在输入设计文件时要正确排列文件的次序，将底层文件放在前面，顶层文件放到后面，这样LeonardoSpectrum软件才能正确地建立数据信息库。综合完成后，可以将输出网表文件 （.EDF）作为MAX+PLUS II或Quartus II的设计输入文件，再完成编译、仿真、定时分析和器件编程等步骤，完成整个系统的设计过程。
   
  4 VHDL编码方式对综合质量的影响
  　　VHDL语言支持全部的仿真功能，但并不是全部可综合的。VHDL程序的许多硬件描述和仿真结构没有对应的数字电路来实现，还有些描述在理论上可以映射为对应的数字电路，但是却不能保证其精确性，比如延时模型。随着综合算法技术水平的提高，针对某些寄存器传输级RTL（Register Transfer Level）电路描述可以进行有效的优化，但是对于更普遍的电路描述这还不够，因此综合结果是否满足给定的时间约束条件和面积约束条件，还取决于VHDL编码方式。下面给出几点经验，相信对提高综合质量有所帮助与启发。
  　　（1）资源共享
  　　例如下面的两段代码中，（A）需要2个加法器，而完成同样的功能，略做修改；（B）只需要1个加法器，有效地减少了使用面积。
  适当地利用圆括号进行重新组合，有时也可以实现资源的共享。如下面两段代码（C）和（D），（D）中输入信号b和c即可实现加法器的共享。
  
  　　（2）使用带范围限制的整数
  　　在VHDL中无约束整数的范围是-2147483647～+2147483647。这意味着至少需要32位来表示，但通常这会造成资源的浪费，有些综合软件会自动优化，但所消耗的时间是相当可观的。因此，如果不需要全范围的整型数据，最好指定范围，例如：
  　　signal small_int : integer range 255 downto 0 ;
  　　small_int在本例中只需要8位，而不是32位，有效地节约了器件面积。
  　　（3）使用宏模块
当然，它们是针对特定工艺的，这将使VHDL程序依赖于具体的器件系列，影响移植性。
  　　（4）高级设计优化
  　　上述几种方法是在没有改变其功能性的情况下进行综合优化的，有时候我们可以在不妨碍设计规格约束的前提下，稍微改变其功能，来提高综合效率，参考下面两个例子（E）和（F）。(录入编辑：电路图电路网www.dltdl.com)
  
  　　在（E）中，综合工具建立递增计数器和完整的比较器；在（F）中，综合工具建立递减计数器和对于常数零的比较器。由于和常数作比较更易于实现，且占用逻辑单元更少，因此（F）程序更高效。
  　　另外，由于综合工具只能支持VHDL的子集，为保证在综合前后的仿真保持相同，以下语句在综合中应该避免使用：
  　　◇ 避免使用 wait for xx ns，这种语句不会被综合为实际的电路元件；
  　　◇ 避免使用after xx ns，在综合工具进行综合时，会忽略after语句；
  　　◇ 避免在信号和变量声明时赋初值，因为大部分综合工具会忽略初始化语句，如果使用初始化语句，那么综合的结果和仿真的结果将会产生差异。
   
  结 语
  　　功能强大的EDA开发软件和专业的综合工具的不断发展，使PLD设计或ASIC 设计过程更简单、更快捷；但是，要提高设计质量，编程方式仍然起着至关重要的作用，需要我们在实践中不断摸索，积累经验，提高设计水平。
  　　　　　　　　　　　　　　
  参考文献
  1 黄正谨，徐坚，等. CPLD系统设计技术入门与应用. 北京：电子工业出版社，2002
  2 褚振勇，翁木云. FPGA设计及应用. 西安：西安电子科技大学出版社，2002
  3 宋万杰，罗丰，吴顺君，等. CPLD技术及其应用. 西安：西安电子科技大学出版社，1999
  4 侯伯亨，顾新. VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计. 修订版. 西安：西安电子科技大学出版社，1997(录入编辑：电路图电路网www.dltdl.com)