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ASIC-WORLD Verilog（2）FPGA的设计流程

news 2026/2/9 10:01:32

写在前面

在自己准备写一些简单的verilog教程之前，参考了许多资料----asic-world网站的这套verilog教程即是其一。这套教程写得极好，奈何没有中文，在下只好斗胆翻译过来（加了自己的理解）分享给大家。

这是网站原文：http://asic-world.com/verilog/veritut.html

这是系列导航：Verilog教程系列文章导航

简介

作为 Verilog初学者，您可能想尝试一些例子和新的东西。我列出了可用于实现此目的的工具流程。这个流程我亲自尝试过，它对我来说效果很好。在这里，我只采用了工具流程的前端设计部分和部分 FPGA 设计，这套流程无需在工具上花费大量资金即可完成。

ASIC/FPGA设计的各个阶段

这是各个设计阶段可以使用的工具。

规格书（Specification ）：文字处理器，如 Word、Kwriter、AbiWord、Open Office。
高层级设计（High Level Design）：文字处理器，如 Word、Kwriter、AbiWord，用于绘制波形使用工具，如 waveformer 或 testbencher 或 Word，Open Office。
低层级设计（Micro Design/Low level design）： Word、Kwriter、AbiWord 等字处理器，用于绘制波形使用工具，如 waveformer 或 testbencher 或 Word。
RTL 编码（RTL Coding）： Vim、Emacs、conTEXT、HDL TurboWriter
仿真（Simulation ）： Modelsim、VCS、Verilog-XL、Veriwell、Finsim、Icarus。
综合（Synthesis）：设计编译器、FPGA 编译器、Synplify、Leonardo Spectrum。您可以从 Altera 和 Xilinx 等 FPGA 供应商处免费下载。
布局布线（Place & Route）：对于 FPGA，使用 FPGA 供应商的 P&R 工具。ASIC 工具需要像 Apollo 这样昂贵的 P&R 工具。学生可以使用LASI、Magic。
后仿真（Post Si Validation）：对于ASIC和FPGA，芯片需要在真实环境中进行测试。电路板设计，设备驱动需要到位。

这是一张典型的设计流程图：

规格书

这是定义您预期设计的系统/设计的重要参数的阶段。一个简单的例子是：我想设计一个计数器----它应该是 4 位宽，应该有同步复位，高电平有效使能；当复位激活时，计数器输出应变为“0”。

高层级设计

这是您在设计中定义各种子模块以及它们如何通信的阶段。假设我们需要设计一个微处理器：高层级设计意味着根据功能将设计分成多个子模块---寄存器、ALU、指令解码、内存接口等。

低层级设计

低层级设计是设计人员描述如何实现每个子模块的阶段。它包含状态机、计数器、多路复用器、解码器、内部寄存器的详细信息。在各种界面绘制波形是一个好主意。这是个人花费大量时间的阶段。

RTL编码

在 RTL 编码中，使用设计语言的可综合结构将低层级设计转换为 Verilog/VHDL 代码。我们通常喜欢在开始验证或综合之前检查代码。

module addbit (
a      , // first input
b      , // Second input
ci     , // Carry input
sum    , // sum output
co       // carry output
);
//Input declaration
input a;
input b;
input ci;
//Ouput declaration
output sum;
output co;
//Port Data types
wire  a;
wire  b;
wire  ci;
wire  sum;
wire  co;
//Code starts here
assign {co,sum} = a + b + ci;endmodule // End of Module addbit

仿真

仿真是在任何抽象级别验证模型功能特性的过程。我们使用仿真工具来仿真硬件模型。要测试 RTL 代码是否满足规范的功能要求，我们必须查看所有 RTL 模块是否功能正确。为了实现这一点，我们需要编写一个testbench，它生成时钟、复位和所需的测试向量。计数器的示例testbench如下所示。通常我们将 60-70% 的时间花在设计验证上。

我们使用仿真工具的波形输出来查看 DUT（Device Under Test，被测设备）在功能上是否正确。大多数仿真工具都带有波形查看器。随着设计变得复杂，我们可以编写自检式testbench，自动将 DUT 的输出与预期值进行比较。

还有一种仿真叫做时序仿真，是在综合之后或者布局布线之后进行的。此处包括门延迟和线延迟，以查看 DUT 是否能以额定时钟工作。这也称为SDF（Standard Delay Format，标准延迟格式）仿真或门级仿真。

综合

综合是综合工具将 Verilog 或 VHDL 中的 RTL、目标技术和作为输入的约束并将 RTL 映射到目标技术原语的过程。综合工具在将 RTL 映射到门之后，还会进行最少量的时序分析，以查看映射的设计是否满足时序要求。（需要注意的重要一点是，综合工具不知道线延迟，它们只知道门延迟）。

综合之后，在将网表传递到后端（放置和布线）之前通常需要做几件事：

形式验证（Formal Verification）：检查 RTL 到门的映射是否正确
扫描插入（Scan insertion）：在ASIC的情况下插入扫描链

布局布线

来自综合工具的门级网表被提取并以 Verilog 网表格式导入到布局布线工具中。所有的门和触发器会被放置（布局）；时钟树被综合和复位被布线。在此之后，每个子模块都被布线。P&R 工具输出是一个 GDS 文件，代工厂使用它来制造 ASIC。后端团队通常将 SPEF（标准寄生交换格式）/RSPF（减少寄生交换格式）/DSPF（详细寄生交换格式）从 ASTRO 等布局工具转储给前端团队，然后前端团队使用 Prime Time 等工具中的 read_parasitic 命令来写出 SDF（标准延迟格式）用于门级仿真目的。

后仿真

芯片（硅）从晶圆厂返回后，需要将其置于真实环境中并进行测试，然后才能投放市场。由于 RTL 的仿真速度（每秒时钟数）非常慢，因此总是有可能在后仿真过程中发现错误。

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