基于FPGA芯片的功能仿真平台构建及静态时序分析

论文摘要

仿真是FPGA(Field Programmable Gate Array)设计的重要环节之一。目前,在国内自主研发的FPGA支持软件中仿真这一功能基本上都是靠购买第三方工具来实现,国内没有自主研发的仿真软件。本文正是针对这一现状,在详细分析比较了目前存在的仿真验证软件后,根据本课题的特性及要求从中选取了Gtkwave和Icarus Verilog两个仿真软件,进行二次开发。利用开发完成的软件设计并构建了一个FPGA功能仿真平台,在此平台上实现了FPGA芯片的功能仿真,验证了电路逻辑功能的正确性。在大规模的FPGA设计中,只进行功能仿真是不够的。功能仿真只能验证FPGA电路逻辑功能的正确性,不能验证时序是否满足要求,这就需要进行静态时序分析。因此本文还研究了静态时序分析的基本原理、时序路径、建立/保持时间等。然后,详细分析了静态时序分析自底向上编译策略中的时序模型提取原理,实现了时序模型提取方法。通过静态时序分析和功能仿真两种验证方法相结合,验证了电路逻辑功能的正确性以及时序的满足性,确保验证工作高效可靠地完成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 FPGA的发展趋势及国内外研究现状
• 1.2.1 FPGA的发展趋势
• 1.2.2 FPGA国外研究现状
• 1.2.3 FPGA国内研究现状
• 1.3 关键集成电路依赖进口的危害
• 1.4 论文结构
• 第二章 FPGA的结构及算法研究
• 2.1 FPGA概述
• 2.2 FPGA的结构研究
• 2.2.1 FPGA可编程技术
• 2.2.2 FPGA逻辑块结构
• 2.2.3 FPGA布线结构
• 2.3 FPGA CAD算法分析
• 2.3.1 综合
• 2.3.2 工艺映射
• 2.3.3 布局
• 2.3.4 布线
• 2.3.5 时序分析
• 2.3.6 仿真验证
• 2.3.7 下载
• 第三章 功能仿真平台构建
• 3.1 选题背景
• 3.2 仿真的概念、方法及意义
• 3.2.1 仿真验证的基本方法
• 3.2.2 仿真的意义
• 3.3 仿真软件的研究与分析
• 3.3.1 仿真软件选取标准
• 3.3.2 Icarus Verilog
• 3.3.3 Modelsim
• 3.3.4 Gtkwave
• 3.4 功能仿真平台的构建
• 3.4.1 功能仿真平台的整体构架
• 3.4.2 测试激励向量的构成
• 3.4.3 Gtkwave软件结构分析
• 3.5 分析测试激励的响应结果
• 3.6 设计实例
• 第四章 静态时序分析
• 4.1 静态时序分析概述
• 4.1.1 FPGA验证方法研究
• 4.1.2 时序约束
• 4.1.3 静态时序分析的特点
• 4.2 STA基本原理分析
• 4.3 时序路径及时序分析
• 4.3.1 静态时序分析的时序路径
• 4.3.2 时钟扭曲
• 4.3.3 寄存器的建立及保持时序分析
• 4.3.4 门控时钟的建立、保持时序分析
• 4.3.5 异步复位/置位与时钟信号的时序分析
• 4.4 时序模型提取原理及具体实现
• 4.4.1 时序模型提取原理
• 4.4.2 时序模型提取的实现
• 4.5 时序不收敛的改进方法
• 4.5.1 通过设置综合属性提高工作频率
• 4.5.2 通过修改布局布线促进时序收敛
• 4.6 STA工具分析
• 4.6.1 基本概念
• 4.6.2 工具分析
• 4.7 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 作者所做的主要工作
• 5.2 进一步的研究
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果
• 附录 运算器的测试激励文件