GCKontrol对嵌入式设备FPGA设计流程的高效优化
1 前言
FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）是一种可编程的半导体器件，因其硬件可重构性、硬件并行计算能力、低延迟和实时性的优势，广泛应用于数字电路设计、原型验证和系统加速等领域。但开发效率不足以及设计人员门槛较高，正在成为制约其应用落地的最大障碍。
在实际项目中，很多企业都会遇到这样的困境：算法模型已经在仿真环境中跑通，但要真正达到在FPGA芯片上实现模型的功能，却往往要经历数周甚至数月的Verilog代码开发设计、仿真测试和下板调试。这一过程不仅耗时耗力，并且对工程师也有较高的设计门槛，同时在整个开发周期中，需要算法、FPGA工程师密切配合和沟通，稍有不同步就可能导致返工，大大降低了开发验证的效率和增加人力成本。
基于这一痛点，世冠科技GCKontrol平台提供了“图形化建模到自动生成Verilog代码”的新方法，加速算法模型从理论到实践下板验证过程，帮助企业缩短FPGA开发周期和降低人力成本，促进产品化的进程，助力更高效的FPGA设计开发。
2 面临的挑战
在FPGA芯片上验证的算法模型，从理论到实践的全生命周期，以使用专业的工业软件图形化建模仿真为开始，到FPGA工程师编写Verilog代码，再到v代码的仿真测试，最后以下板调试符合预期为结束。这一传统流程存在四大挑战：
01开发周期长
代码开发和仿真时间往往占据整个项目周期的一半以上。
02跨专业协作成本高
算法工程师与FPGA工程师需要频繁沟通，模型和代码不同步的情况屡见不鲜。
03出错率高
人工编码语法或时序错误会导致大量返工与重复测试。
04代码质量不稳定
人工编写的代码质量由工程师的水平决定，不同的工程师开发的代码质量参差不齐，代码风格不统一，不利于产品化。
对于追求快速原型验证和产品迭代的企业而言，这些问题无疑严重制约了效率和竞争力。
3 解决方案
基于世冠科技GCKontrol平台，提供了一种可以自动生成Verilog代码的技术路线：工程师使用GCKontrol建模软件，进行图形化建模之后，经过一系列的操作，即可自动生成Verilog代码，从而跳过人工编写代码和仿真测试的环节，通过IDE软件将代码综合编译后，将bit文件下载到FPGA芯片板卡上，实现对FPGA设计流程的高效优化。
其方案框图如图1所示：
图 1 方案框图
接下来简单介绍下目前GCKontrol建模软件支持自动生成Verilog代码的基础模块。
3.1 支持自动生成Verilog的基础单元
图 2 支持自动生成Verilog代码的基础模块
图 3 支持自动生成Verilog代码的模块
由图2和图3可知，目前支持自动生成Verilog代码的基础模块有输入输出模块，常量模块，加减模块，乘除模块，增益模块，最值模块，取整模块，绝对值模块，取余模块，饱和模块，死区模块，符号模块，积分模块，微分模块，延迟模块，位转换模块，多条件表达式模块，零阶保持，斜坡函数，斜率限制函数等。
这些都是算法模型搭建的必要单元，这些模块支持自动生成Verilog代码，为满足不同要求的算法模型的搭建提供了前提条件。目前还正在开发较为复杂的基础函数和各种信号发生器等模块，从而支持后续复杂度更高的模型搭建和下板验证。
3.2 包含基础运算模块的工程示例
图 4 搭建包含基础运算模块的gck工程
如图4所示，可使用全部基本运算模块搭建一个gck工程。点击仿真后，如图5所示，用户可在界面上查看每个模块的结果，也可通过2D面板灵活添加数据，查看任意模块的仿真输出。
图 5 仿真结果显示
价值点
工程师能够在建模阶段快速验证算法逻辑，减少后期跨团队的沟通与调试成本。
3.3 自动生成Verilog代码
图 6 自动生成Verilog代码路径
由图6可知，在工程路径的CodeLink_v的文件夹下，可以看到自动生成Verilog代码的所有v文件。这些代码符合行业规范，支持综合编译成bit文件并下板调试。
价值点
·自动生成的Verilog代码与模型保持完全同步，杜绝“模型更新但代码未更新”的问题；
·避免人工编码语法错误和代码质量不稳定的情形，提高一次性验证成功率；
·直接可用的代码显著缩短下板调试周期。
3.4 附加功能——代码预览
图 7 Verilog代码预览
由图7可知，GCKontrol软件自动生成Verilog代码后，支持在界面对生成的代码进行在线预览，方便在模型级随时查看自动生成的Verilog代码。
价值点
模型与代码实时对照，工程师在建模阶段即可检查逻辑，提前发现偏差，减少后期返工。
4 总结与展望
基于世冠科技GCKontrol平台，通过将图形化建模工程直接自动生成Verilog代码，大大缩短了项目开发周期，节省了人力成本，并保证了代码风格的稳定性和可靠性，极大的优化了FPGA的设计流程。
未来，GCKontrol将持续扩展模块库，支持通信、雷达、工业控制等更复杂的算法场景。助力更高效的FPGA设计开发，为复杂算法模型从理论到实践的一键转换提供更强有力的支持。