Brevet FR3009092A1 — publié le 20150130

L'invention concerne le prototypage d'un circuit ASIC au moyen d'un système de type multi-FPGA tel qu'une carte électronique portant plusieurs circuits FPGA interconnectés. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION En pratique, le développement d'un circuit ASIC (qui est l'acronyme de Application Specific Integrated Circuit signifiant circuit intégré propre à une application), s'étend sur une durée de l'ordre de plusieurs mois, ce qui est relativement long vis-à-vis du cycle de développement des appareils électroniques actuels. Pour tester le fonctionnement d'un appareil tel qu'un téléphone mobile intelligent, parallèlement au développement de chaque circuit ASIC qu'il doit comporter, on réalise un prototype de chaque circuit ASIC sous forme d'un système à composants FPGA. Un composant FPGA (qui est l'acronyme de Field Pro- grammable Gate Array signifiant réseau de portes logiques programmable in situ) est un réseau logique programmable pouvant être reprogrammé après sa fabrication. Compte tenu de la puissance de calcul importante et croissante des circuits ASIC devant être prototypés, il est nécessaire d'utiliser non pas un composant FPGA, mais plusieurs composants FPGA interconnectés par une carte électronique les portant pour mettre en oeuvre la concep- tion logique dans le système FPGA. Pour développer un prototype multi-FPGA, la concep- tion logique, c'est-à-dire le comportement fonctionnel à implémenter, se présente sous forme d'une liste d'inter- connexions logiques (usuellement désignée par l'expres- sion Design Netlist), la définition de la carte, se pré- sente sous forme d'une liste d'interconnexions entre composant FPGA (usuellement désignée par l'expression Board Netlist), qui définit chaque FPGA et les connections entre ces FPGAs. Un tel système comporte ainsi d'une part des bas- cules, c'est-à-dire des cellules séquentielles de FPGA, une bascule pouvant être considérée comme un point initial ou final d'un chemin de synchronisation, selon qu'il s'agit d'un chemin de synchronisation démarrant à cette cellule ou bien se terminant à cette cellule. Et il comporte d'autre part des ensembles de cellules logiques de FPGA qui communiquent entre elles par des signaux, ces cellules logiques étant considérées comme passantes dans le chemin de synchronisation. Une cellule logique ne peut ainsi être ni un point de départ ni un point final, mais elle se caractérise par le retard qu'elle introduit dans le chemin de synchronisation dont elle fait partie. L'analyse temporelle est le calcul de la synchroni- sation attendue : le temps de parcours du chemin de syn- chronisation le plus long entre une bascule de point initial et une bascule de point final permet de connaître la fréquence d'horloge système à laquelle la carte pourra fonctionner. Actuellement, seule une analyse temporelle de FPGA, dite « analyse temporelle intra-FPGA » est effectuée de façon automatisée, ce qui permet de connaître la fréquence d'horloge maximale admissible pour chaque FPGA analysé. En pratique, une analyse de fréquence basée sur une modélisation complète de l'intégralité de la carte multi- FPGA représentant toutes les cellules logiques du système est impossible car elle nécessite une puissance de calcul et une capacité de mémoire colossales compte tenu de la très grande étendue que peuvent avoir les cartes multi- FPGA actuelles. OBJET DE L'INVENTION L'invention apporte une solution pour réaliser automatiquement une analyse temporelle d'un système projeté sur une telle carte dans son intégralité. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'invention a pour objet un procédé automatisé d'analyse d'un circuit intégré implémenté sur une carte électronique portant plusieurs puces programmables de type FPGA interconnectées et programmées, selon une conception logique prédéterminée, cette carte éta- blissant des liens inter-puce reliant des blocs logiques appartenant à différentes puces, pour former des chemins destinés chacun à être parcouru par un signal, chaque chemin comportant au moins deux portions intra-puce, et au moins une portion inter-puce, ce procédé comportant : - l'établissement d'un graphe représentatif de la carte et dans lequel chaque lien représente une portion inter-puce ou une portion intra-puce ; - une détermination pour chaque puce, du temps de parcours de chaque portion de chemin traversant cette puce, chaque temps de parcours correspondant à la somme des temps de réalisation des opérations logiques appliquées au signal dans la puce ; - une détermination du temps de parcours inter-puce pour chaque portion inter-puce représentée par un lien du graphe ; - une détermination du temps de parcours de chaque chemin du système implémenté sur la carte, par cumul des temps de parcours intra-puce et des temps de parcours inter-puce associés à chaque lien du graphe. L'invention concerne également un procédé ainsi dé- fini, dans lequel la détermination des temps intra-puce et inter-puce sont basées : - sur une valeur de retard type introduit par toute cellule logique du système pour les portions intra-puce ou une valeur provenant d'un outil d'analyse temporelle statique propre à la puce programmable pour les portions intra-puce ; - sur les longueurs des pistes physiques ou une valeur provenant d'un outil d'analyse temporelle statique propre à la carte pour les portions inter-puce. L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel le temps de parcours d'une portion inter-puce est un retard introduit par une piste physique simple, ou un retard correspondant à l'ajout d'un séria- liseur et d'un désérialiseur intégrés aux puces situés respectivement en amont et en aval de cette piste dans le cas d'une piste multiplexée. L'invention concerne également un procédé ainsi dé- fini, dans lequel le temps de retard introduit par un sé- rialiseur et par un déserialiseur est chiffré en prenant en compte le rang de traitement du signal circulant dans le chemin relativement aux autres signaux. L'invention concerne également un procédé ainsi dé- fini, comportant la détermination pour chaque signal em- pruntant une portion multiplexée avant d'être délivré à une puce, de l'instant auquel ce signal est émis depuis la puce initiale et de l'instant auquel ce signal est délivré à la puce de destination. L'invention concerne également un procédé ainsi dé- fini, comportant, en cas de violation de synchronisation d'un signal multiplexé, la détermination d'un changement de l'ordre de traitement des signaux dans le sérialiseur et le désérialiseur assurant le multiplexage, pour supprimer la violation de synchronisation. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 est une représentation schématique mon- trant deux composants FPGA portés par une carte électronique en étant reliés l'un à l'autre par des pistes ; La figure 2 est une représentation schématique mon- trant deux composants FPGA reliés l'un à l'autre par une piste de transmission précédée d'un sérialiseur et suivie d'un désérialiseur ; La figure 3 est une représentation schématique mon- trant un signal d'horloge système et un signal d'horloge plus rapide dédié au cadencement d'un sérialiseur ou d'un désérialiseur ; La figure 4 est une représentation schématique montrant un cas de violation de synchronisation dû à un signal arrivant trop tardivement dans le FPGA auquel il est délivré ; La figure 5 est une représentation schématique mon- trant un cas de violation de synchronisation dû à un signal arrivant trop tôt dans le FPGA auquel il est délivré. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention est basée sur le constat selon lequel dans une carte électronique comportant plusieurs compo- sants de type FPGA interconnectés, ce sont les liaisons entre composants FPGA qui pénalisent la fréquence de fonctionnement, et non pas les composants FPGA par eux-mêmes. En effet, les performances des composants FPGA sont très régulièrement améliorées, en termes de fréquence de fonctionnement et de puissance de calcul, mais le nombre d'éléments de connexion de ces composants évolue très peu. Il s'ensuit que si le traitement des informations au sein d'un composant FPGA est de plus en plus rapide, le transfert de données d'un FPGA à un autre reste limité à des taux de transfert qui sont trop faibles et qui évoluent peu au regard de la puissance de traitement des composants FPGA. Selon l'invention, on réalise une analyse tempo- relle statique complète de la carte en utilisant des outils de simulation informatiques fournis avec les circuits FPGA utilisés pour déterminer les retards intraFPGA et en construisant un graphe de synchronisation per- mettant de caractériser les retards introduits sur chaque lien inter-FPGA. Lorsque le graphe de synchronisation est complète- ment construit, chaque FPGA y est représenté principalement par les retards qu'il introduit dans chaque chemin de synchronisation le traversant, et chaque lien de ce graphe représente une voie de communication entre deux FPGA caractérisée par le retard qu'elle introduit. Dans la description ci-après, l'invention est présentée dans le cadre d'une mise en oeuvre avec des puces FPGA, mais elle s'applique aux puces FPGA proprement dites aussi bien qu'à une mise en oeuvre avec des puces CPLD (signifiant Complex Programmable Logic Device) ou bien avec des puces PLA (signifiant Programmable Logic Array) ou PSoC (signifiant Programmable System On Chip), ou encore avec toute puce programmable se rapprochant des puces FPGA. Première étape La carte multi-FPGA est conçue pour implémenter une conception logique définie en premier lieu par une liste d'interconnexions (de type "Verilog Netlist"), qui est divisée et segmentée selon le nombre de FPGA que la carte comporte, pour générer un graphe de synchronisation du système. Cette liste d'interconnexions définit ainsi les parties de la conception contenues dans chaque FPGA et les communications entre les FPGA. Partant de cette liste d'interconnexions divisée et segmentée, on établit une première version du graphe de synchronisation qui définit en particulier les différents liens reliant chaque FPGA à un autre FPGA sur la carte, et dans lequel chaque FPGA est représenté sous une forme partielle donnant principalement les retards qu'introduit le FPGA dans chaque chemin de synchronisation qui le traverse. La communication entre les différentes parties est représentée dans le graphe sous forme de liens simples : ces liens ne reflètent pas l'organisation des pistes phy- siques de la carte et les éventuelles pistes multi- plexées, car le routage en soi n'a pas encore été défini. Ainsi, dans l'exemple de la figure 1, on a repré- senté deux composants FPGA, repérés par FPGA-A et FPGA-B, qui communiquent l'un avec l'autre par l'intermédiaire de trois liens. Ces trois liens sont représentés par trois traits dans la figure 1, mais ils ne correspondent pas nécessairement à trois pistes physiques distinctes. A terme, ces trois liens pourront, selon les choix effectués au cours de l'opération de routage, transiter de ma- nière sérialisée sur une même piste qu'ils partageront, ou bien emprunter effectivement trois pistes physiques distinctes. Une première analyse temporelle statique avant rou- tage peut ainsi être réalisée sur la base de ce graphe de synchronisation. Les retards temporels entre les FPGA et les retards temporels à l'intérieur de chaque FPGA sont à ce stade des estimations du fait que les sérialiseurs et désérialiseurs nécessaires au routage proprement dit n'ont pas encore été intégrés aux FPGA. Cette première étape est réalisée par des moyens informatiques de manière entièrement automatisée : on établit d'une part une estimation du temps de transfert pour chaque portion de chemin de synchronisation traversant un FPGA en considérant que le retard introduit par n'importe quelle cellule a une valeur type prédéterminé et en évaluant le nombre de cellules traversé par chaque portion intra-FPGA. Complémentairement, le temps de transfert des signaux transitant dans chaque lien interFPGA est estimé, par exemple sur la base de la longueur des pistes existantes et la vitesse de transfert de si- gnaux sur de telles pistes. Cette première analyse constitue une évaluation qui sert avantageusement à réaliser un contrôle d'intégrité, c'est-à-dire à détecter d'éventuelles erreurs de concep- tion importantes donnant lieu à des retards de transmis- sion significativement trop élevés. Deuxième étape Le routage de la carte est ensuite établi en utilisant des moyens informatiques pour définir les pistes simples et les pistes multiplexées de la carte. Chaque piste simple assure le transfert d'un signal simple d'un FPGA à un autre, et chaque piste multiplexée assure le transfert de plusieurs signaux d'un FPGA à un autre, au moyen d'un sérialiseur et d'un désérialiseur situés en amont et en aval de cette piste. Le multiplexage ou sérialisation sert à augmenter la bande passante des FPGA et à compenser le nombre limité de pistes physiques sur la carte. Dans le cas où le nombre de signaux communiquant entre une paire de puces programmables dépasse le nombre de connexions physiques sur la carte, certains signaux sont multiplexés afin de partager la même connexion physique. Le nombre de signaux multiplexé correspond au taux de multiplexage. Plus le taux de multiplexage augmente, plus le temps nécessaire pour envoyer les données en série augmente et par consé- quent la fréquence du système diminue. Le choix des si- gnaux à multiplexer et leur taux de multiplexage dépend de leurs criticités. La criticité d'un signal est une fonction de la longueur/délai des chemins combinatoires auxquels il appartient. En se basant sur l'analyse tempo- relie du système le délai de chaque chemin est déterminé et ainsi la criticité des signaux est calculée. Plus le signal est critique (appartient à un chemin très long) plus son taux de multiplexage est petit. Nous pouvons aller jusqu'à ne pas multiplexer certains signaux critiques (taux de multiplexage = 1). L'étape de sérialisation regroupe un certain nombre de signaux à router dans une seule piste physique, comme illustré schématiquement en figure 2. Pour chaque piste multiplexée, un sérialiseur est ajouté dans le graphe de synchronisation au niveau du FPGA situé en amont de la piste multiplexée, et un désérialiseur est ajouté dans ce graphe au niveau du FPGA situé en aval de la piste multiplexée. Dans l'exemple de la figure 2, le sérialiseur repé- ré par TX est intégré au composant portant le FPGA-A, et le désérialiseur RX est intégré au composant portant le FPGA-B. Il est à noter que la carte utilise une horloge de base, notée CK-SYS, les sérialiseur TX et désérialiseur RX utilisent quant à eux une horloge rapide, notées CK- IF, qui est par exemple une vingtaine de fois plus rapide que l'horloge de base, comme illustré en figure 3. Cette horloge rapide cadence le sérialiseur pour qu'il envoie rapidement les données par la piste physique au déséria- liseur avant le front montant suivant de la CK-SYS. Le graphe de synchronisation est alors complété en y ajoutant les retards temporels introduits par chaque piste simple et par chaque piste multiplexée. Chaque retard ajouté est ainsi soit un retard de piste physique et éventuellement un retard de sérialiseur/désérialiseur si ces éléments ont été insérés. À ce stade, les retards de synchronisation à l'intérieur des FPGA sont encore une estimation, c'est-à-dire des valeurs inexactes, du fait que les sérialiseurs et désérialiseurs n'ont pas encore été à proprement par- ler intégrés aux FPGA. Troisième étape La définition de chaque FPGA est alors complétée par l'ajout de sérialiseurs et de désérialiseurs en amont et en aval de chaque piste multiplexée, de sorte qu'il est possible de réaliser l'analyse temporelle exacte de chaque FPGA. Celle-ci est réalisée au moyen des outils informatiques de simulation qui sont fournis avec les composants FPGA. Ces outils permettent maintenant de chiffrer de fa- çon exacte, pour chaque chemin de synchronisation traver- sant un composant FPGA, le temps de retard qui est introduit par le FPGA, puisque la définition de chaque FPGA a le cas échéant été complétée par l'ajout de sérialiseurs et de désérialiseurs. Cette analyse fournit un fichier contenant toutes les informations temporelles pour chaque FPGA, ce qui permet de connaître les temps de retard introduits par chaque FPGA pour chaque chemin de synchronisation emprunté par un signal. Sur la base de l'analyse temporelle de chaque FPGA, le graphe de synchronisation est complété de manière à y intégrer tous les retards introduits par les circuits FPGA, dans chaque chemin de synchronisation. Le graphe de synchronisation comporte suffisamment d'éléments pour réaliser une analyse temporelle statique précise de l'ensemble de la carte, puisque la totalité des informations temporelles exactes est maintenant connue et contenue dans ce graphe de synchronisation. On connaît ainsi le retard pour chaque portion de chemin de synchronisation intra-FPGA et pour chaque chemin de syn- chronisation inter-FPGA. Ce graphe de synchronisation peut ainsi se borner à ne représenter que les connexions des entrées au premier étage de bascules des FPGA, et les connexions du dernier étage des bascules aux sorties de FPGA, y compris les bascules et l'arbre d'horloge pilotant ces bascules, comme illustré schématiquement à la figure 1. Ce graphe de synchronisation est ainsi prévu par- tiel en n'intégrant pas la définition explicite complète du contenu de chaque FPGA, ce qui permet de réaliser de façon rapide une analyse temporelle statique précise. Dans l'analyse temporelle statique selon l'inven- tion, les sérialiseurs et les désérialiseurs intégrés aux FPGA sont considérés comme n'importe quelle logique combinatoire. L'invention permet ainsi de faire état de la synchronisation entre deux FPGA de manière précise, entre des bascules système, même si des sérialiseurs/désérialiseurs sont introduits. Signal arrivant trop tard Grâce à cette analyse statique temporelle de l'intégralité de la carte il est possible entre autres d'identifier les cas dans lesquels un signal multiplexé arrive trop tardivement dans le FPGA auquel il est délivré, et les cas dans lesquels un signal multiplexé arrive trop tôt dans le FPGA auquel il est délivré. Ce type de situation est dû au fait que les hor- loges CK-SYS des différents FPGA de la carte sont en pratique déphasées les unes par rapport aux autres. Les signaux d'horloge de chaque FPGA sont calés sur une même horloge commune CK-SYS de la carte électronique, selon un arbre d'horloge intégrant des éléments logiques pour ac- tiver et désactiver l'horloge de chaque FPGA selon qu'il est sollicité ou non, afin de limiter la consommation énergétique. Ces éléments logiques introduisent des re- tards différents dans les horloges CK-SYS de chaque FPGA. Lorsqu'un signal arrive trop tard comme dans la fi- Bure 4 et qu'il n'est pas saisi par le front d'horloge correct dans le FPGA auquel il est délivré, cela constitue une violation de la synchronisation. Dans le cas de la figure 4, ceci est dû au fait que l'horloge système CK-SYS-R dans le FPGA-A depuis lequel le signal est émis, est en retard de la valeur R par rap- port à l'horloge système CK-SYS dans le FPGA-B recevant le signal, ce qui réduit le temps de transfert global disponible, provoquant par là même un retard au niveau du signal délivré. Comme illustré dans cette figure 4, le signal subit d'abord le retard R et est transmis au sérialiseur TX dans le FPGA-A en étant retardé d'un temps de stabilisation ST avant d'être transmis sur la piste physique, ce qui introduit un retard de transmission supplémentaire noté TR. Les différents signaux reçus dans le désériali- seur RX du FPGA-B subissent ensuite un retard de mise à jour, noté MAJ, avant d'être délivrés dans le FPGA-B. Comme on le voit sur la figure 4, l'instant auquel le signal est délivré dans le FPGA-B, représenté par un trait pointillés vertical, est trop tardif par rapport au front montant de l'horloge CK-SYS, de sorte que ce signal n'est pas saisi correctement par le FPGA-B qui le reçoit, ce qui correspond à la violation de synchronisation repérée par V. Signal arrivant trop tôt Lorsqu'un signal arrive trop tôt et qu'il n'est pas saisi par le front d'horloge correct dans le FPGA auquel il est délivré, comme dans le cas de la figure 5, cela constitue un autre type de violation de la synchronisa- tion. Cette situation correspond typiquement au cas de figure dans lequel l'horloge CK-SYS-R du FPGA-B qui reçoit le signal est en retard d'une valeur R par rapport à l'horloge du FPGA-A depuis lequel le signal est émis. Dans la situation de la figure 5, le retard R vaut de l'ordre d'un quart de la période de l'horloge CK-SYS, de sorte que le signal est émis par le FPGA-A sur un certain front d'horloge noté FH, mais il est reçu dans le FPGA-B par le même front d'horloge FH, retardé de la va- leur R. Là aussi, le signal subit d'abord un retard ST correspondant à sa stabilisation dans le sérialiseur, avant de subir un autre retard TR correspondant à sa transmission sur la piste physique, après quoi il subit un autre retard correspondant à la mise à jour MAJ de ce signal dans le désérialiseur avant délivrance dans le FPGA-B. Dans le cas de la figure 5, la somme des retards ST, TR et MAJ est inférieure au retard R de l'horloge système CK-SYS-R du FPGA-B par rapport à l'horloge sys- tème CK-SYS du FPGA-A, de sorte que le signal qui est émis sur le front montant FH depuis le FPGA-A est saisi sur le même front montant de l'horloge système du FPGA-B qui est déphasé. Résolution des violations de synchronisation Selon l'invention, le cas de figure où un signal multiplexé arrive trop tôt et où un signal multiplexé ar- rive trop tard est résolu en réagençant l'ordre de traitement des signaux dans le sérialiseur et dans le désérialiseur Les contraintes temporelles sont satisfaites quand les synchronisations inter-FPGA et intra-FPGA le sont aussi. Le flux d'analyse temporelle sur toute la carte se déroule ainsi : Ainsi, l'analyse temporelle est d'abord effectuée sur le graphe de synchronisation contenant toutes les in- formations temporelles de chaque FPGA et des communica- tions entre les FPGA. Ensuite, sur la base des signaux donnant lieu à des conflits de synchronisation (arrivant trop tard ou trop tôt) des réagencements sont réalisés dans les sériali- seurs et désérialiseur. Dans le cas d'un signal arrivant trop tard, son rang de traitement est diminué pour qu'il soit traité et transmis avant les autres afin de ne pas arriver trop tard. Dans le cas d'un signal arrivant trop tôt, son rang de traitement est augmenté pour qu'il soit traité et transmis après les autres afin de ne pas arri- ver trop tôt. Réagencement de signaux : le processus calcule le retard de chaque signal et les réagence pour satisfaire les contraintes temporelles. Cette étape génère aussi les nouvelles contraintes temporelles pour le FPGA, puis- qu'elle conduit à modifier les caractéristiques du séria-liseur et du déserialiseur qui sont intégrés à des FPGA. En fin de compte, seule l'analyse temporelle intra-FPGA doit être refaite pour contrôler si la synchronisation est satisfaite ou non vis-à-vis de l'ensemble des si- gnaux. REVENDICATIONS1. Procédé automatisé d'analyse d'un circuit intégré implémenté sur une carte électronique portant plusieurs puces programmables de type FPGA interconnectées et programmées, selon une conception logique prédétermi- née, cette carte établissant des liens inter-puce reliant des blocs logiques appartenant à différentes puces, pour former des chemins destinés chacun à être parcouru par un signal, chaque chemin comportant au moins deux portions intra-puce, et au moins une portion inter-puce, ce procé- dé comportant : - l'établissement d'un graphe représentatif de la carte et dans lequel chaque lien représente une portion inter-puce ou une portion intra-puce ; - une détermination pour chaque puce, du temps de parcours de chaque portion de chemin traversant cette puce, chaque temps de parcours correspondant à la somme des temps de réalisation des opérations logiques appliquées au signal dans la puce ; - une détermination du temps de parcours inter-puce pour chaque portion inter-puce représentée par un lien du graphe ; - une détermination du temps de parcours de chaque chemin du système implémenté sur la carte, par cumul des temps de parcours intra-puce et des temps de parcours in- ter-puce associés à chaque lien du graphe. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la détermination des temps intra-puce et inter-puce sont basées : - sur une valeur de retard type introduit par toute cellule logique du système pour les portions intra-puce ou une valeur provenant d'un outil d'analyse temporellestatique propre à la puce programmable pour les portions intra-puce ; - sur les longueurs des pistes physiques ou une valeur provenant d'un outil d'analyse temporelle statique propre à la carte pour les portions inter-puce. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le temps de parcours d'une portion inter-puce est un retard introduit par une piste physique simple, ou un retard correspondant à l'ajout d'un sérialiseur et d'un déséria- liseur intégrés aux puces situés respectivement en amont et en aval de cette piste dans le cas d'une piste multiplexée. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le temps de retard introduit par un sérialiseur et par un déserialiseur est chiffré en prenant en compte le rang de traitement du signal circulant dans le chemin relativement aux autres signaux. 5. Procédé selon la revendication 4, comportant la détermination pour chaque signal empruntant une portion multiplexée avant d'être délivré à une puce, de l'instant auquel ce signal est émis depuis la puce initiale et de l'instant auquel ce signal est délivré à la puce de destination. 6. Procédé selon la revendication 5, comportant, en cas de violation de synchronisation d'un signal multi- plexé, la détermination d'un changement de l'ordre de traitement des signaux dans le sérialiseur et le désérialiseur assurant le multiplexage, pour supprimer la violation de synchronisation.30