基于FPGA的USB3.0原型验证平台的建立

论文摘要

随着集成电路设计规模和设计复杂度的不断提高,集成电路验证已经变得非常地棘手。芯片的规模已经步入了千万门级,而且芯片的规模还在按照摩尔定律几乎每两年增长一倍,为了完成芯片验证的需求,现在验证的复杂度增加的速度变得几乎是芯片设计复杂度的一倍,而且芯片的功能也变得更加复杂,进一步增加了验证的难度。在IC设计行业,业界人士进行了深入的研究,先后提出了基于软件的模拟验证、基于硬件加速的软件模拟验证、基于专门硬件的验证和现在应用较多的基于FPGA勺原型验证。基于软件模拟的验证速度太慢,硬件加速的验证速度有所提高,但是相对于后两者还是不很明显,硬件验证是各种验证速度最快的,但是非常的昂贵。基于FPGA的验证速度虽然没有硬件验证快,但是明显快于前两者,而且FPGA的验证环境是非常接近芯片设计的真实环境的。论文首先介绍了两种主要的验证方法,形式验证和功能验证。形式验证进一步分为等价性检查、模型检查和定量证明。对它们进行了详细介绍,对它们的原理和应用都进行了说明,分析了他们的优缺点。功能验证方法可分为基于软件模拟的验证、硬件加速的验证、硬件验证和FPGA验证。同样对它们的验证原理,验证流程,使用这种验证方法的优点和缺点都进行了深入的分析。论文在上述分析的基础上,对基于FPGA的原型验证这种验证方法建立了验证平台。针对USB3.0的设计需求和功能要点,选用了Altera公司的EP4SG530这款FPGA建立了验证平台。围绕这款FPGA,选用T工公司专门为USB3.0物理层开发的芯片TUSB1310。在通用性方面,选用了大量常用的芯片。为了增加FPGA平台的可靠性,论文还对板级设计中可能出现的问题进行了深入的分析,并给出了相应的避免方法。论文还对多FPGA验证平台的建立进行了探讨,对多FPGA验证平台的关键,互连结构进行了详细的介绍和对比,得出非对称结构是多FPGA验证平台的最合适的结构。论文最后给出了FPGA验证的流程、IC设计的代码转换为FPGA代码所需要的改变部分和针对FPGA验证平台,使用的验证调试方法。针对USB2.0的controller,使用本验证平台,完成它的功能调试,性能可靠。由于USB3.0的协议十分复杂,Controller的IP到论文截稿时,还没有可发出来,没有进行USB3.0的验证,但是验证平台能够覆盖USB3.0验证的所有需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 论文组织架构
• 第2章 功能验证方法
• 2.1 形式验证
• 2.2 基于模拟的验证
• 2.2.1 基于软件模拟的功能验证
• 2.2.1.1 设计文档及验证计划
• 2.2.1.2 创建测试用例
• 2.2.1.3 仿真环境的创建
• 2.2.1.4 仿真器仿真及结果分析
• 2.2.1.5 验证平台的架构
• 2.2.2 基于软件仿真的硬件加速的验证
• 2.2.2.1 硬件加速验证系统的结构和工作原理
• 2.2.3 基于硬件仿真的验证方法
• 2.2.4 基于FPGA的验证方法
• 第3章 FPGA验证平台的设计
• 3.1 FPGA验证平台的需求分析
• 3.2 FPGA验证平台总体设计
• 3.2.1 功能定义
• 3.3.2 关键器件选型
• 3.2.3 系统总体框架
• 3.3 性能设计
• 3.3.1 电磁兼容性设计
• 3.3.2 信号完整性设计
• 3.3.3 静电释放ESD防护问题
• 3.3.4 电源系统设计
• 3.3.5 SDRAM设计
• 3.3.6 时钟电路设计
• 3.3.7 可测性设计
• 3.4 PCB设计
• 3.4.1 原理图设计
• 3.4.2 PCB设计
• 第4章 多FPGA验证平台设计的研究与讨论
• 4.1 现有验证系统的互联结构
• 4.1.1 矩阵式互联结构
• 4.1.2 星形对称互连结构
• 4.1.3 环形对称互连结构
• 4.2 可配置的非对称互连结构
• 4.2.1 非对称结构设计
• 4.2.1.1 芯片布局
• 4.2.1.2 互连通道设计
• 4.3 四种互连结构的比较
• 4.4 FPGA与外部模块间的可配置互连
• 4.5 FPGA阵列逻辑下载
• 4.6 对接口电平的灵活支持
• 第5章 FPGA验证平台验证调试
• 5.1 FPGA验证平台实现流程
• 5.2 从IC到FPGA的RTL转换
• 5.2.1 修改存储单元
• 5.2.2 修改时钟电路
• 5.2.3 增加电路的流水
• 5.2.4 减小FPGA内部走线延时
• 5.2.5 增强扇出
• 5.2.6 调整时序
• 5.3 FPGA调试
• 第6章 总结和展望
• 致谢
• 参考文献