04 - FPGA 설계 흐름 (Design Flow)

1. 설계 요구사항 정의

• 구현하려는 시스템의 기능 및 성능(속도, 자원, 전력 등) 요구사항을 분석
• 클럭 주파수, 인터페이스, 연산 능력 등을 고려하여 하드웨어 구조 설계
• 목표하는 FPGA 디바이스 선정 (논리 셀, 메모리 용량, I/O 수 등을 고려)

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2. 하드웨어 설계 (HDL 개발 및 IP 활용)

• Verilog/VHDL을 사용하여 하드웨어를 설계
• Xilinx IP 카탈로그에서 제공하는 DSP, 메모리 인터페이스 등의 IP 활용 가능
• High-Level Synthesis (HLS)를 통해 C/C++ 코드를 HDL로 변환하여 사용할 수도 있음
• 타사 IP 또는 사용자 정의 IP 활용 가능

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3. 시뮬레이션 및 검증

• 설계한 HDL 코드를 ModelSim, Vivado Simulator 등으로 시뮬레이션하여 논리적 오류 검출
• 기능 시뮬레이션 (Behavioral Simulation): 논리적으로 정상 동작 여부 확인
• 타이밍 시뮬레이션 (Timing Simulation): 합성 후 신호 지연을 고려한 검증
• Testbench를 활용하여 다양한 입력 조건에서의 동작 검증 수행

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4. 합성 (Synthesis)

• HDL 코드를 FPGA에서 동작할 수 있도록 논리 게이트 수준으로 변환
• 넷리스트(Netlist) 생성: FPGA 내부의 LUT, 플립플롭, BRAM 등을 활용한 논리 회로로 변환
• 논리 최적화 및 리소스 사용량 검토

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5. 배치 및 라우팅 (Implementation - Place & Route)

• 합성된 넷리스트를 FPGA 내부의 실제 자원에 배치하고 배선을 최적화
• 타이밍 분석을 수행하여 경로 지연과 클럭 속도 최적화
• 주요 단계:
  1. 매핑(Mapping): 논리 게이트를 FPGA 자원(LUT, FF, DSP 등)에 배정
  2. 배치(Placement): FPGA 칩 내부의 물리적 위치에 회로 블록 배치
  3. 배선(Routing): 신호 간 연결을 최적화하여 경로 지연 최소화
• 타이밍 분석 수행 → 타이밍 제약(Timing Constraints) 만족 여부 확인

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6. 비트스트림(Bitstream) 생성 및 다운로드

• 최종적으로 FPGA에서 동작할 수 있는 비트스트림 파일(.bit) 생성
• 생성된 비트스트림을 JTAG 또는 Vivado 하드웨어 매니저를 이용하여 FPGA에 다운로드
• FPGA 구성 메모리에 로드 후 하드웨어가 동작

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7. 디버깅 및 최적화

• FPGA 동작 중 실시간 신호를 모니터링할 수 있도록 ILA(Integrated Logic Analyzer) 또는 VIO(Virtual I/O) 활용
• ILA: FPGA 내부 신호를 JTAG를 통해 확인하여 디버깅
• VIO: 가상의 입력 신호를 적용하여 회로 테스트 수행
• 시뮬레이션 단계에서 잡지 못한 버그나 신호 무결성 문제 해결
• 타이밍 여유 부족, 자원 사용 초과 등의 문제 발견 시 설계를 수정하고 반복적인 최적화 수행

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# 결론

• 요구사항 정의 → 하드웨어 설계 → 검증 → 합성 → 배치 및 라우팅 → 비트스트림 생성 → 디버깅
• 각 단계에서 지속적인 검증과 최적화가 필요하며, 필요하면 설계를 반복(Iterative Process)하여 성능을 개선
• Xilinx Vivado 기반의 설계 흐름을 따랐지만, Intel(Altera) 등의 FPGA도 유사한 프로세스를 가짐