使用LeonardoSpectrum综合Xilinx FPGA的VHDL程序

摘 要： 本文总结了使用LeonardoSpectrum综合Xilinx FPGA的VHDL程序应用，以及在VHDL中使用不同类型RAM的方法。
关键词： LeonardoSpectrum；FPGA；VHDL
LeonardoSpectrum 是Mentor Graphics公司设计的功能强大的EPLD/FPGA/ASIC综合工具，支持大部分EPLD/FPGA厂商的产品。LeonardoSpectrum支持VHDL、Verilog、EDIF的综合、优化和定时分析，可以运行在Windows 98/2000/NT/XP和HP、SUN 的UNIX平台上。
LeonardoSpectrum通过名为exemplar的库，可以在用HDL设计FPGA/EPLD时使用与原理图设计相同的功能。LeonardoSpectrum对于Xilinx公司的EPLD/FPGA支持尤其完善，使得用HDL的设计在效率和功能上可以和原理图的设计相当。本文总结了使用LeonardoSpectrum过程一些有用的设计方法。

全局时钟使用的map结果

延迟锁相环使用map结果

块状RAM的map结果

分布式RAM的map结果

属性的使用
在LeonardoSpectrum中，可以在程序中对信号赋予属性来对综合结果进行控制。在使用LeonardoSpectrum综合时，除了LeonardoSpectrum提供的属性外，可以把Xilinx原理图设计中的某些元件作为属性来赋予信号，主要限于双端口的元件，例如IBUFG，BUFG等等。LeonardoSpectrum所提供的属性可以参看使用手册。
如果使用LeonardoSpectrum来综合，建议调用exemplar库，以获得更多的功能支持，本文介绍的程序都需要使用exemplar库。下面是对程序中一个信号通过赋予bufg的属性而定义该信号为全局时钟的例子。
......
ARCHITECTURE rtl of bufg IS
SIGNAL clk :td_LOGIC;
attribute buffer_sig of clk: signal is "bufg";
BEGIN
clk<=clkin;
clkout<=clk;
process(clk)
begin
if(clk'event and clk='1') then
end if;
end process;
END rtl;
这个程序选用的芯片是Xilinx的spartanII 系列XC2S50-5QP208，经LeonardoSpectrum综合后，用Xilinx ISE5.1进行map后的结果如所示，可以看到使用了1个全局时钟。
元件的引用
在Xilinx的FPGA/EPLD的原理图设计中需要用到元件库，元件库中包含一些特殊功能的元件，例如延迟锁相环(DLL)、全局时钟BUF、边界扫描电路、数字时钟管理器(DCM)、内置SRAM等。LeonardoSpectrum提供的exemplar库中的程序包使得设计者可以在VHDL程序中直接引用原理图库中所包含的元件。引用元件时，先调用exemplar库，对要引用的元件按照原理图库中的描述进行声明。引用元件时可以只使用其中一部分参数，不必对元件所有的参数进行映射。
下面是引用Xilinx的FPGA的延迟锁相环〔DLL〕的例子。
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ARCHITECTURE rtl of pll IS
SIGNAL clk :STd_logic;
component clkdll --锁相环
port(clkin,clkfb,rst :in std_logic;clk0,clk90, clk180,clk270,clkdv,locked :out std_logic);
end component;
BEGIN
CLK1: clkdll port map(clkin=>clkin,clkfb=>clk,rst=>'0', clk0=>clk,clk90=>clkout );
process(clk)
begin
if(clk'event and clk='1') then
data_out<=data_in;
end if;
end process;
END rtl;
这个程序也选用Xilinx的XC2S50-5QP208，经LeonardoSpectrum综合后，用Xilinx ISE5.1进行map后的结果如所示，可以看到使用了一个DLL。

RAM的综合
RAM设计是Xilinx FPGA的一个特色，按照在芯片内的分布情况可以分为分布式RAM和块状RAM，分布式RAM分布在每个LC中，可以将一个LC作为16×1的同步RAM使用，也可以将两个LC联合起来作为16×2、32×1的同步RAM或者16×1的双口RAM使用，块状RAM是专用的分布FPGA边缘的RAM块。RAM使用时又可以作为ROM，单口RAM、双口RAM等。如果是原理图设计，可以在选择元件时选择不同的元件来选择不同类型的RAM，但是对于用描述语言来进行RAM设计时，就需要综合工具的支持，不同的综合工具，对相同的语句，可能就综合成不同类型的RAM。LeonardoSpectrum对VHDL的支持达到相当的高度，除了提供属性的方法来使用分布式RAM和块状RAM外，还可以在设计时使用不同的描述语句来产生分布式RAM和块状RAM。下面是一个综合成块状RAM的例子。
......
ARCHITECTURE rtl of blockram IS
TYPE RAM IS ARRAY ( 0 TO 127 ) OF STD_LOGIC_VECTOR( 7 DOWNTO 0 );
SIGNAL testram :ram;
SIGNAL cc1,cc2 :std_logic_vector(6 downto 0);
SIGNAL addr1,addr2 :integer range 0 to 127;
BEGIN
......
process(clkout) --从RAM中读出数据
begin
if(clkout'event and clkout='1') then
data_out<=testram(addr2);
end if;
end process;
END rtl;
该程序也选用Xilinx的XC2S50-5QP208，经LeonardoSpectrum综合后，用Xilinx ISE5.1进行map后的结果如所示，可以看到生成了块状RAM。
下面程序是综合成分布式RAM的例子。
......
ARCHITECTURE rtl of disram IS
TYPE RAM IS ARRAY ( 0 TO 127 ) OF STD_LOGIC_VECTOR( 7 DOWNTO 0 );
SIGNAL testram :ram;
SIGNAL cc1,cc2 :std_logic_ vector(6 downto 0);
SIGNAL addr1,addr2 :integer range 0 to 127;
BEGIN
......
process(clkout) --从RAM中读出数据
begin if(clkout'event and clkout='1') then
if(ramsel='1') then data_out<=testram(addr2); end if; end if;
end process;
END rtl;
选用XC2S50-5QP208，经LeonardoSpectrum综合后，用Xilinx ISE5.1进行map后的结果如所示，可以看到生成了分布式双口RAM。
比较上面两段程序，可以看到它们的差别就在于生成分布式RAM的程序中，数据输出时有一个selram信号，也就是说，如果直接用时钟读出RAM中的数据，就综合成块状RAM；如果是用带使能的方式输出RAM中的数据，就综合成分布式RAM。

结语
综上所述， LeonardoSpectrum对于用VHDL写的用于Xilinx FPGA的程序支持是非常到位的，可以充分利用Xilinx的优势，用语言设计出与原理图设计相当功能的程序。■