賽靈思資深現(xiàn)場應(yīng)用工程師Clayton Cameron與您分享ISE工具套件中他最喜歡的工具FPGA Editor的使用技巧

Clayton Cameron 賽靈思公司（Xilinx, Inc.）資深現(xiàn)場應(yīng)用工程師 clayton.cameron@xilinx.com

Clayton Cameron是賽靈思公司在多倫多市的一名資深現(xiàn)場應(yīng)用工程師（FAE）。他于2000年加入賽靈思公司，在賽靈思渥太華的辦公處工作，主要為電信客戶提供支持。作為一名現(xiàn)場應(yīng)用工程師，Clayton為客戶提供支持，幫助他們解決問題。他喜歡這一工作的多樣性以及每天遇到的各種挑戰(zhàn)。業(yè)余時間，他喜歡健身，還十分享受家庭生活。

工程師在設(shè)計過程中，經(jīng)常需要一定的創(chuàng)造力（你不妨稱之為數(shù)字管道膠帶）才能夠保證設(shè)計的順利完成。過去8年時間里，我曾經(jīng)目睹許多優(yōu)秀工程師利用這一方法出色地完成了許多工作，而他們采用的最主要工具就是FPGA Editor。

利用FPGA Editor，你可以察看完成的設(shè)計并確定是否在FPGA構(gòu)造一級真正實現(xiàn)了設(shè)計意圖 – 而這對于任何工程師或現(xiàn)場應(yīng)用工程師來說都是非常需要的。假設(shè)你拿到協(xié)作者的設(shè)計，需要對其進行修改，但他們的HDL源代碼非常難于理解，或者根本沒有任何注釋或文檔。也許你只是想將某些時鐘邏輯鎖定，但卻不知道實例的名稱或者如何將其鎖在所希望的位置。下面討論的一些用來探查FPGA構(gòu)造以及創(chuàng)建命令行補丁的技巧可以幫助設(shè)計人員滿足不斷迫近的任務(wù)期限要求。

FPGA構(gòu)造勘察技巧

當賽靈思發(fā)布針對新FPGA器件的工具時，通常我做的第一件事就是打開FPGA Editor來勘FPGA器件的內(nèi)部構(gòu)造。具體做法是找到Xilinx → ISE →Accessories菜單并點擊FPGA Editor圖標，或者在命令行鍵入fpga_editor。圖形用戶界面打開后，在File菜單下選擇New。FPGA Editor會詢問設(shè)計文件名稱和物理約束文件。此時還沒有任何設(shè)計文件，因此隨便鍵入一個設(shè)計文件名（例如，test.ncd），并選擇希望察看的器件類型。FPGA Editor將會使用同樣的名字作為物理約束文件的名稱，并加載一個空白設(shè)計。

另一種方法是編譯隨軟件提供的某個ISE®工具套件設(shè)計例子，并將其加載到FPGA Editor中來察看FPGA構(gòu)造。加載一個設(shè)計實例可以顯示更多細節(jié)，并且更容易定位感興趣的項目。

在FPGA Editor中瀏覽只需要記住兩件事：

1、如何利用CTRL / Shift快捷鍵進行放大縮小。
2、如果利用F11鍵放大選定的項目。

不使用GUI按鈕快速縮放的方法是，按住Ctrl 和 Shift鍵，然后分別利用鼠標左鍵和右鍵進入放大和縮小。要想快速找到任何項目，在GUI右上角的列表窗口（List window）中選擇該項目即可。一旦定位了想找的項目，按F11鍵。陣列窗口（Array window）就會放大顯示該項目。

FPGA Editor有四個主要窗口：列表（List）、全局（World）、陣列（Array）和塊（Block）。List窗口顯示設(shè)計中所有活動的項目。通過此窗口頂部的下拉菜單可選擇其內(nèi)容 – 列表內(nèi)容包括已經(jīng)布局或還未使用的部件、網(wǎng)絡(luò)或未布線的網(wǎng)絡(luò)等等。

全局視圖窗口（World Windows）始終顯示完整FPGA硅片視圖，這在試圖確定某個網(wǎng)絡(luò)的布線情況時非常有用。同時，陣列窗口（Array window）則是FPGA構(gòu)造和邏輯的動態(tài)視圖。如果雙擊Array視圖中的任何項目，會顯示Block視圖，給出所選擇項目或邏輯單元的詳細情況。

利用FPGA Editor，你可以察看物理實施后的設(shè)計并確定是否在FPGA構(gòu)造一級真正實現(xiàn)了設(shè)計意圖 – 而這對于任何工程師或現(xiàn)場應(yīng)用工程師來說都是非常需要的。

為方便瀏覽或?qū)υO(shè)計進行編輯，這些窗口可以復(fù)制。許多情況下，打開第二個Array窗口會比較方便同時在設(shè)計的兩個不同部分工作。例如，假設(shè)需要在全局時鐘緩沖器和芯片底部的觸發(fā)器之間增加一條布線。如果在一個Array窗口中顯示全局時鐘緩沖器的輸出，另一個Array窗口則顯示觸發(fā)器時鐘輸入，那么會做起來會更方便。不然的話就必須來回縮放來定位布線的兩端，顯然這很繁瑣。

在FPGA Editor GUI的右側(cè)是一組由20個功能按鈕組成的工具條，用于設(shè)計察看和編輯。通過編輯$XILINX/data目錄下的fpga_editor.ini文件可以增加更多功能按鈕。當察看設(shè)計時，應(yīng)當隨時使用INFO按鈕。該功能會將所選擇項目的所有信息轉(zhuǎn)錄到控制臺（Console）窗口。這一功能非常方便，你可以在控制臺窗口中標注數(shù)據(jù)并將其拷貝到其它地方使用，例如編寫UCF約束。一旦了解了最基本的概念和操作，就可以開始察看FPGA構(gòu)造。通常我都從時鐘邏輯開始。這包括數(shù)字時鐘管理器（DCM）、鎖相環(huán)（PLL）、全局時鐘緩沖器（BUFG）、區(qū)域時鐘緩沖器（BUFR）、I/O緩沖器（BUFIO）以及不同的時鐘區(qū)域。（要想按字母列出項目表，可以到LIST窗口點擊 Type來排序。）點擊一個DCM并按F11。ARRAY窗口會定位到選擇的DCM并放大顯示它。繼續(xù)點擊DCM并觀察GUI底部的Console窗口，其中會顯示與下面類似的內(nèi)容：

comp “DCM_BASE_inst_star”, site “DCM_ADV_X0Y9”, type = DCM_ADV
(RPM grid X73Y202)

這是有用的數(shù)據(jù)。 拷貝并粘貼上述內(nèi)容到UCF文件中，并作如下更改以鎖定這一DCM邏輯：

INST “DCM_BASE_inst_star”
LOC=DCM_ADV_X0Y9;

利用這一方法，幾乎可以鎖定FPGA中的任何項目。 下面是BUFG鎖定的另一個例子：

comp “BUFG_inst_star”, site “BUFGCTRL_X0Y20”, type = BUFG (RPM grid X73Y124)
INST “BUFG_inst_star”
LOC=BUFGCTRL_X0Y20;

再次回到List窗口并標注同一DCM。 雙擊之后將會在Block視圖中顯示該DCM以及所有設(shè)置和參數(shù)。這是一項非常強大的功能，可用于FPGA構(gòu)造中的任何邏輯項目。如果選擇一個邏輯片并雙擊它，就可以看到邏輯片是如何布線連接的，以及是否使用了進位鏈或本地觸發(fā)器。

Block視圖的按鈕條包含許多其它選項。值得一提的是 F= button按鈕，其功能是顯示邏輯片中使用的項目的完整配置。例如，如果使用了一個LUT6和一個觸發(fā)器，按下F= 按鈕將會給出LUT的布爾議程以及觸發(fā)器的配置模式。

閱讀賽靈思用戶指南是一回事，而從計算機屏幕上展開的視圖上探察所有邏輯、開關(guān)和參數(shù)則是另一回事。一旦熟悉了FPGA構(gòu)造及所有資源，那么在編寫和驗證設(shè)計時獲得的幫助將會令人感到驚奇。在設(shè)計流程中記錄
生成補丁腳本

當用戶在GUI環(huán)境中編輯設(shè)計時，F(xiàn)PGA Editor能夠記錄用戶動作。用戶不僅可以保存記錄動作流程，還可在以后重新使用記錄的腳本并加以重復(fù)。當無法更改RTL，但又需要在設(shè)計過程中對設(shè)計進行修改時，這一功能特別有用。假設(shè)設(shè)計采用了第三方IP或賽靈思加密IP，其中包括一個全局時鐘和一個DCM來生成稱為 interface_clk的時鐘。然后再假設(shè)接口所連接的ASIC出現(xiàn)問題，無法在預(yù)定的interface_clk的上升沿接收數(shù)據(jù)。如何修正這一問題？

當然，你可以改變PCB，更換出現(xiàn)問題的ASIC或者讓第三方IP小組來修改時鐘輸出邏輯以提供90度相移的interface_clk。所有這些解決方案都既耗費時間又成本高昂。一個更簡單的建議是利用FPGA Editor來記錄修改動作，對interface_clk邏輯進行必要的更改，從而為出現(xiàn)問題的ASIC提供正確的時鐘相位。一旦有了相關(guān)修改的 FPGA Editor腳本，就可以回放這些命令行腳本記錄的修改步驟，而你也可以正常繼續(xù)你的FPGA設(shè)計流程。當出現(xiàn)問題的ASIC修復(fù)正常以后，你只需要將 FPGA Editor腳本從編譯腳本中移除就可以，而interface_clk也會恢復(fù)其正常的行為。

要想對設(shè)計進行手動編輯，首先需要在FPGA Editor中開啟讀/寫（read/write）權(quán)限。在菜單條中點擊File → Main Properties。在此菜單下，可以調(diào)整編輯模式（從No logic Change到Read/Write）。點擊Apply，現(xiàn)在就可以開始對設(shè)計進行編輯了。在下一步利用FPGA Editor記錄對設(shè)計進行的所有修改時，只需要簡單地從菜單條中點擊Tools → Scripts →Begin Recording。FPGA Editor將會提示輸入一個腳本名字（如patch.scr）。輸完腳本名字，就可以對設(shè)計進行必要的修改了。

在設(shè)計中運行設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）來看一下是否有規(guī)則沖突的紅色標志是一個很好的方式。在我的設(shè)計例子中，有14條警告，但都可以忽略。下一步我們將需要定位interface_clk使用的DCM，并為此DCM的90度相移輸出創(chuàng)建另一個稱為DCM_clk90_out的時鐘。這需要利用全局時鐘布線資源將時鐘連接到BUFG。要增加一個BUFG，先在FPGA構(gòu)造中找到一個未用的BUFG位置，右擊并選擇 Add（添加）。然后，工具會提醒你為BUFG命名（clk90_bufg）并確定其類型：BUFG（參見圖1）。

圖1：屬性窗口允許用戶配置并命名選定的邏輯項目

創(chuàng)建了新的BUFG，就需要將其輸入和輸出連接到適當?shù)奈恢?。在本例中，DCM的90度相移輸出將驅(qū)動BUFG。在窗口Array1中，點擊DCM 的90度輸出端衰減器，在窗口Array2中，點擊BUFG的輸入端衰減器，同時按住Ctrl鍵，可實現(xiàn)連接。然后釋放Ctrl鍵，點擊鼠標右鍵并選擇 Add。工具會提示為新網(wǎng)絡(luò)連接輸入名字。這樣就將DCM 和 BUFG通過新網(wǎng)絡(luò)連接到一起了（參看圖2）。

圖2：在兩個邏輯項目中手動布線時，如紅色三角所示，使用兩個Array窗口可以輕松選擇源頭和目標

clk90_bufg的輸出要代替由原interface_clk驅(qū)動的IOB上的時鐘。要將IOB從原來的時鐘域中移開，需要定位IOB，標注時鐘輸入端衰減器并按下Delete鍵移除這一連接。這樣我們就可以將新的clk90_bufg時鐘連接到這兒，從而完成整個補丁。要連接BUFG (clk90_bufg)的輸出，按住Ctrl鍵不放，在窗口Array2中標注BUFG的輸出端衰減器并在Array1窗口中選擇IOB的時鐘輸入。松開Ctrl鍵，點擊鼠標右鍵顯示選項菜單并選擇Add。這樣就最終完成了BUFG輸出和IOB之間的連接，而IOB則用來驅(qū)動下游ASIC的新建接口，利用interface_clk90時鐘就可以正確地捕獲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

這樣就完成了ASIC的補丁?，F(xiàn)在重新運行設(shè)計規(guī)則（DRC）檢查器，確保沒有引入任何新的錯誤。在菜單條中點擊Tools →DRC →Run。

腳本完成并且沒有錯誤的情況下，就可以回到菜單選擇Tool →Script →End Recording。這將停止并關(guān)閉腳本記錄過程，下次需要這一ASIC補丁時你還可以重新利用這一腳本。一個不錯的方法是在文本編輯器中打開腳本文件，將所有GUI Post 和 Unpost命令去除。這些命令并不是必要的，而且留著它們還讓腳本難于閱讀。下面的文本就是我們ASCI補丁的腳本。 如前面所述，內(nèi)容非常直接，易于讀取。

unselect -all
setattr main edit-mode Read-Write
add -s “BUFGCTRL_X0Y28” comp
clk90_bufg ;
setattr comp clk90_bufg type BUFG
unselect -all
select pin ‘BUFGCTRL_X0Y28.I0’
select pin ‘DCM_ADV_X0Y11.CLK90’
add
post attr net $NET_0
setattr net $NET_0 name
DCM_clk90_out
unselect -all
select pin ‘OLOGIC_X0Y2.CLK’
delete
unselect -all
select pin ‘ILOGIC_X0Y3.CLK’
delete
unselect -all
select pin ‘ILOGIC_X0Y3.CLK’

select pin ‘OLOGIC_X0Y2.CLK’
select pin ‘BUFGCTRL_X0Y28.O’
add
post attr net $NET_1
setattr net $NET_1 name
clk90_bufg_out
unselect -all
drc
save -w design “patch.ncd”
“patch.pcf”
exit
end

仔細看看腳本內(nèi)容，看能否分辨出對應(yīng)GUI中做的動作。

很重要的是，可以從GUI（在菜單條 Tool →Scripts →Playback下）中或命令行回放這一腳本。 要在編譯腳本中加入補丁，只需要增加下面一條命令就可以了：
fpga_edline yourdesign.ncd
yourdesign.pcf -p yourscript.scr

應(yīng)當在布局布線（PAR）完成后再執(zhí)行這一命令，即當NCD和PCF文件完成后。

FPGA Editor真的是一項強大的用戶工具，盡管并非每個人都希望或需要在設(shè)計過程中用到它。 但當需要一些特殊處理或需要在某些地方突破規(guī)則以使設(shè)計功能更強時，沒有其它工具能夠像FPGA Editor一樣提供如此強大的能力。你的FAE能夠向你展示其功能，展示FPGA Editor如何幫助你完成設(shè)計調(diào)試和驗證，當然還包括對規(guī)則的突破。

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