基于FPGA原型的GPS基带验证系统设计与实现-AET-电子技术应用

基于FPGA原型的GPS基带验证系统设计与实现

来源:电子技术应用2010年第7期

冯华星1，何文涛1，李晓江2

1.中国科学院微电子研究所，北京100029；2.杭州中科微电子有限公司，杭州310053

摘要：随着SoC设计复杂度的提高，验证已成为集成电路设计过程中的瓶颈，而FPGA技术的快速发展以及良好的可编程特性使基于FPGA的原型验证越来越多地被用于SoC系统的设计过程。本文讨论了GPS基带的验证方案以及基于FPGA的设计实现，并对验证过程中的问题进行了分析，并提出相应的解决办法。

关键词： FPGA 原型 GPS SOC ARM7TDMI

中图分类号：TN492
文献标识码：A
文章编号： 0258-7998(2010)07-0056-02

Design and implementation of GPS baseband verification system based on the FPGA protocol

FENG Hua Xing1，HE Wen Tao1，LI Xiao Jiang2

1.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029，China；2.Hangzhou Zhongke Microelectronics Co., Ltd, Hangzhou 310053，China

Abstract：As the SoC design complexity continually growing, verification has become the bottle-neck of the SoC design. However, due to the fast development as well as the programmability of FPGA, the FPGA prototype has been used more and more in the SoC design process. This paper discusses the verification methodology for the GPS baseband and the implementation based on the FPGA prototype. In the end, we analyze the problems faced during the verification and give the corresponding approaches.

Key words :FPGA；prototype；SoC；GPS；verification

随着SoC设计复杂度的提高，验证所需时间已经占到整个设计周期的70%以上，如何减少验证时间成为一个十分重要的问题。GPS基带芯片是一个典型的SoC，其主要功能模块是相关器，用以实现GPS信号的解调和解扩。相关器占据了基带芯片中的大部分硬件资源，其仿真过程十分复杂且耗费大量时间，因此仅仅依靠软件仿真是不现实的。随着FPGA的性能和容量不断提高，基于FPGA的原型验证能够减小开发风险，避免软件仿真的缺点，加快产品上市时间，并且能够真实地反映硬件的特性。这些优点使得基于FPGA的原型验证越来越多地被用于SoC系统的设计过程。
1 从ASIC到FPGA原型的移植
理论上，FPGA原型验证要与SoC的结构保持高度一致，但是，由于ASIC和FPGA结构上的差异，导致从ASIC到FPGA的移植需要做出适当的调整。
首先，当设计规模很大时，单片的FPGA容量不足以容纳整个设计规模，需要2个或多个FPGA芯片来实现整个验证系统。这时，FPGA之间的布线延时给整个系统的时序要求带来困难，尤其对于高性能的设计。其次，结构上的差异导致的ASIC和FPGA IP模块在时序上不兼容，需要额外的工作进行时序转换。再次，某些硬IP核无法移植到FPGA上，需要构造适当的电路或者增加外围辅助电路。
2 GPS基带系统架构
整个GPS卫星导航系统包括前端射频部分和基带部分。前端射频部分完成信号接收、滤波、AD转换等；基带部分完成GPS信号的解调、解扩、实现信号的跟踪和捕获。其系统框图如图1所示。

该卫星导航基带芯片基于ARM7TDMI构建，拥有为捕获跟踪功能所设置的特殊硬件器件以及大量的常用外设。例如DMA、UART接口、SPI接口、GPIO、实时时钟（RTC）等。256 KB的ROM和96 KB的SRAM用于存储代码和运行程序以及中间数据，并可外接FLASH进行程序调试及下载。其基带框图如图2所示。

3 FPGA验证平台设计和实现
FPGA验证平台的结构如图3所示。

FPGA芯片采用Altera公司Stratix III系列的EP3SL-150F1152C3，ARM7CPU采用ARM7TDMI的验证测试芯片，ARM9芯片采用Samsung的S3C2410芯片。
由于ARM7内核无法移植，所以采用外接的ARM7TDMI测试芯片作为CPU，同时电路板上集成了一块ARM9芯片。因此该平台也可用于基于ARM9内核的SOC验证平台，并且板上预留的扩展接口可以再接一块ARM9芯片，可用于双核的开发。
基带芯片其他部分都位于FPGA芯片中。编译后的电路通过FPGA旁边的JTAG接口下载到FPGA芯片中，通过ARM旁边的JTAG接口进行软件下载和调试。软件调试工具使用ADS1.2。信号可以通过RS232串口或者USB接口与上位机进行通讯。
4 验证中的问题分析和解决
从ASIC到FPGA的移植需要根据实际情况做一些调整。在该系统中，采用ARM7TDMI测试芯片的CPU时钟由FPGA内部产生，经由电路板送到ARM7芯片，由于板级布线延时，FPGA内部时钟和ARM7时钟在相位上不再保持同步，由此造成时序混乱。因此，在FPGA输出时钟到ARM7之前要做相位调整，以补偿在板级线路的延时。
FPGA验证也有不足之处。
首先，调试困难，由于EDA工具不够完善，所以缺乏有效的调试手段。示波器和逻辑分析仪作为主要的调试工具，在问题的定位上给验证人员提出了更高的要求；虽然目前的EDA软件集成了内部的在线逻辑分析仪，但是在使用上仍然有缺陷。协助调试方法主要有2种：(1)软件仿真和硬件模拟结合，当硬件调试很难对问题定位时，可以将代码编译成二进制文件保存到ROM中，在软件平台上运行程序，提高信号的可观察性。(2)在基带结构中增加测试电路，对关键信号进行监视，当出现问题时可利用测试电路所保存的数据进行分析。
其次，ASIC和FPGA结构上的差异给验证工作带来了额外的负担。验证人员需要时刻保持ASIC和FPGA在版本上的一致性。原则上，ASIC上的任何的改动都要精准地反映在FPGA中，二者的一致性是相对的，验证人员需要做到心中有数。要做好二者的一致性，要对模块进行正确划分。把从ASIC到FPGA需要调整的部分单独划分出来(不影响系统系能的前提下)。这样，当ASIC部分进行代码更新时，只要不涉及到需要调整的部分，全部替换即可。这样即节省了时间，又保证了二者的一致性。
再次，FPGA平台运行性能较差。在本系统中，CPU和AHB总线的时钟可以稳定运行在100 MHz左右，但是，ARM7和FPGA之间布线延时造成ARM7最高运行在32 MHz左右，否则就不能保证功能以及时序上的正确性。因此，FPGA原型验证在性能上要低于ASIC平台。采取的方式是：在ARM7平台上测试功能，在ARM9平台上测试性能。采用ARM9芯片时，系统可以运行在100 MHz左右，完全满足系统整体性能的要求。板级系统的可扩展性有助于解决在验证过程中的某些问题。
经过充分的验证，本系统实现了基于FPGA原型验证平台的GPS基带芯片的导航定位功能。
参考文献
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