從硬件角度討論FPGA開發(fā)框架

 FPGA采用了邏輯單元陣列概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內(nèi)部連線三個部分。每一塊FPGA芯片都是由有限多個帶有可編程連接的預(yù)定義源組成來實現(xiàn)一種可重構(gòu)數(shù)字電路。

長久以來新型FPGA的功能和性能已經(jīng)為它們贏得系統(tǒng)中的核心位置，成為許多產(chǎn)品的主要數(shù)據(jù)處理引擎。

鑒于FPGA在如此多應(yīng)用中的重要地位，采取正式且注重方法的開發(fā)流程來處理FPGA設(shè)計比以往更加重要。該流程旨在避免開發(fā)周期后期因發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷而不得不進行費時費錢的設(shè)計修改，而且該缺陷還可能對項目進度計劃、成本和質(zhì)量造成災(zāi)難性影響。

本文所介紹的的框架覆蓋從系統(tǒng)架構(gòu)考量到FPGA開發(fā)與測試規(guī)劃等各個環(huán)節(jié)。我們從FPGA硬件的角度重點詳細(xì)介紹該框架，通過介紹希望其他工程團隊能夠發(fā)現(xiàn)該框架在復(fù)雜的FPGA設(shè)計項目里面的優(yōu)點。

該框架是一種在FPGA中設(shè)計硬件的自上而下的迭代設(shè)計方法。首先規(guī)劃從系統(tǒng)架構(gòu)層面出發(fā)決策FPGA功能。隨后我們根據(jù)FPGA器件的已知功能和性能逐步優(yōu)化FPGA設(shè)計的特性。

另外，大型FPGA設(shè)計的實現(xiàn)需要制定完備的開發(fā)、仿真和驗證規(guī)劃。該框架的作用就是幫助我們制定這些規(guī)劃。簡而言之，該框架可歸納為圖1所示的流程圖。本文的討論將集中在規(guī)劃和技術(shù)文檔部分(頂部)。

系統(tǒng)架構(gòu)

就本討論范圍而言，系統(tǒng)架構(gòu)指在系統(tǒng)軟件和硬件之間的功能劃分。尤其，重點是將硬件功能細(xì)分到FPGA以及其它微芯片組件上(假設(shè)已經(jīng)明確產(chǎn)品層面需求)，例如市場營銷或產(chǎn)品定義部門可能已經(jīng)參與進來并明確產(chǎn)品需求。

在系統(tǒng)架構(gòu)階段，思路是如何明確地讓這些產(chǎn)品需求在真實產(chǎn)品中得以實現(xiàn)。就FPGA來說，主要的決策圍繞著應(yīng)將哪些特性和功能在FPGA中實現(xiàn)，以及進一步，哪些特性和功能適合在FPGA中實現(xiàn)。

通過提前定義FPGA的高級要求，就能避免開發(fā)流程已接近尾聲時進行成本不菲的設(shè)計及需求修改。在設(shè)計早期階段明確系統(tǒng)架構(gòu)有助于指導(dǎo)用戶做出對開發(fā)時間和產(chǎn)品成本至關(guān)重要的多項重大決策。

在這個層面上探討，只需要一般性地概略介紹FPGA特性。詳細(xì)特性和實現(xiàn)需求將在FPGA需求定義過程的后續(xù)階段進行定義。本次探討的參與者應(yīng)包括熟悉系統(tǒng)級要求的、了解系統(tǒng)級架構(gòu)設(shè)計的，以及熟悉FPGA特性與功能的等不同人員。

具體就FPGA而言，需要回答十大問題：

1. 要在FPGA中實現(xiàn)的特性列表是什么樣的?

2. 在FPGA中實現(xiàn)特性與使用非FPGA組件實現(xiàn)特性相比，需在技術(shù)上做怎樣的權(quán)衡取舍?

3. 在FPGA中實現(xiàn)與使用非FPGA組件實現(xiàn)相比，設(shè)計工作量/成本分別如何?

4. 需要什么樣的定制特性或處理?

5. FPGA的靈活性對功能有什么好處?

6. 您應(yīng)該考慮的未來風(fēng)險緩解措施是什么?

7. 能否把多個非FPGA組件的特性集中到FPGA中?

8. 根據(jù)準(zhǔn)備實現(xiàn)的設(shè)計特性，如何選擇FPGA器件?

9. 特性是否能在FPGA中實現(xiàn)?

10. 需要什么樣的非FPGA器件，如何讓這些非FPGA器件與FPGA接口相連?

FPGA架構(gòu)

FPGA架構(gòu)屬于FPGA器件上物理層的微架構(gòu)級和芯片級數(shù)據(jù)流設(shè)計。您的團隊?wèi)?yīng)與系統(tǒng)級架構(gòu)同步設(shè)計該架構(gòu)，以確定器件尺寸、選擇器件和可行性。

定義FPGA架構(gòu)的目的，是確保系統(tǒng)架構(gòu)需求是準(zhǔn)確、現(xiàn)實、切實可行的設(shè)計要求，能夠在FPGA中實現(xiàn)。

圖1 - FPGA開發(fā)框架

這個層面的探討需要對FPGA架構(gòu)和資源的特性與功能有深入的認(rèn)識。因此應(yīng)該由經(jīng)驗豐富的FPGA設(shè)計人員參與完成。在這個階段，您必須考慮與FPGA性能目標(biāo)、潛在風(fēng)險因素和FPGA資源利用率。

在FPGA架構(gòu)定義階段，您有可能會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)級需求和架構(gòu)無法實現(xiàn)，或是對實現(xiàn)在FPGA中而言存在高風(fēng)險。在這種情況下您必須重新評估和更新系統(tǒng)架構(gòu)，以創(chuàng)建在FPGA中可實現(xiàn)的高級需求列表。

您應(yīng)問問自己現(xiàn)有IP哪些可供使用，還必須創(chuàng)建哪些IP。此外，您還需要檢查I/O需求，以及把時鐘域和時鐘特性映射到FPGA時鐘資源的方法。其他關(guān)鍵問題包括：如何在FPGA上布局千兆位收發(fā)器(GT)資源;在SSI器件中是否已考慮到交叉SLR數(shù)據(jù)流;目標(biāo)時鐘頻率對設(shè)計功能而言是否實際。最后，您還必須評估您設(shè)計的目標(biāo)性能對選擇的FPGA而言是否實際。

FPGA需求定義與劃分

FPGA需求定義和劃分階段與系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)定義緊密關(guān)聯(lián)并受這兩個階段的決策左右。FPGA需求定義指定義準(zhǔn)備在FPGA中實現(xiàn)的詳細(xì)需求，并用作明確的特性清單以供設(shè)計和測試工程團隊設(shè)計、測試和實現(xiàn)。FPGA需求定義與系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)需求定義的不同之處在于FPGA需求是精確的。該清單定義了FPGA的細(xì)致要求，而不僅僅是系統(tǒng)的不同組件之間的功能劃分，或是穿越FPGA的數(shù)據(jù)流之間的功能劃分。

這個階段的目的是清楚地定義FPGA工程團隊確切能實現(xiàn)和測試的內(nèi)容。在這個階段，用戶將把高級系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)需求轉(zhuǎn)換成用于實現(xiàn)的具體需求。這樣做能夠帶來雙重好處。首先，單獨定義FPGA需求能突出強調(diào)系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)的任何局限以及之前未曾考慮到或未曾預(yù)見到的狀況。其次，該步驟將為FPGA設(shè)計的開發(fā)和測試的順利執(zhí)行鋪平道路。

為適當(dāng)?shù)孛枋鯢PGA需求，您必須建立清晰且簡明扼要的定義，以便提煉成單獨的需求。我們建議為各項需求添加標(biāo)簽或序號，使用易于判斷其能否實現(xiàn)的簡短描述來定義各項需求，避免用高級含糊的需求用語。只要足夠清晰扼要，您可以使用任何行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式或?qū)Ｓ懈袷健?/p>

避免使用含混或界定不清的用語，例如“快速”或“小型”。應(yīng)堅持使用有明確目標(biāo)的用語，如“400MHz”或“4.2K觸發(fā)器”。這樣定義的目的旨在確保將文檔分配給之前不了解系統(tǒng)或FPGA架構(gòu)的開發(fā)工程團隊進行實施時不再需要反復(fù)澄清。您需要檢查每個需求是否表述清楚、簡潔、明確且是否包含了所有必需的信息以避免反復(fù)澄清的必要。此外，還應(yīng)該注意需求中是否包括管腳和I/O定義?是否所有的高級需求都已經(jīng)分解為基本設(shè)計要素?未參與早期系統(tǒng)架構(gòu)定義的設(shè)計團隊是否能夠使用這些需求開發(fā)FPGA以及最后測試與驗證團隊是否能使用該文檔開發(fā)測試平臺和制定測試方案，明確驗證每一項需求是否通過。

FPGA設(shè)計規(guī)劃

該框架的這個階段用于為FPGA硬件的實際開發(fā)制定規(guī)劃，確保各項特性及開發(fā)工作的完成與整個產(chǎn)品開發(fā)的其他部分協(xié)調(diào)一致。

這個階段的目標(biāo)是適當(dāng)?shù)匕旬?dāng)前的系統(tǒng)級需求、FPGA級需求和架構(gòu)體現(xiàn)到開發(fā)規(guī)劃中。在通過前面介紹的規(guī)劃階段之后，現(xiàn)在開發(fā)團隊一般會面臨兩種情況。

第一種情況是系統(tǒng)與FPGA架構(gòu)以及需求理解良好，描述詳盡，最終，F(xiàn)PGA設(shè)計開發(fā)階段(即HDL編碼)和測試開發(fā)階段(仿真、測試臺)基本無需修改設(shè)計需求，順利執(zhí)行。

第二種情況是系統(tǒng)架構(gòu)和FPGA需求仍然處在變動中。這樣的設(shè)計會在設(shè)計開發(fā)周期和測試開發(fā)階段面臨眾多變數(shù)和修改。

雖然人人都想得到第一種情況的結(jié)果，但往往卻不能成功，最終落入第二種情況的境地。很明顯，這種情況更加難于管理。

設(shè)計規(guī)劃的總體目標(biāo)應(yīng)是在開發(fā)周期的這個階段實現(xiàn)第一種情況。在第一種情況中，F(xiàn)PGA的開發(fā)簡單直觀，只需為實現(xiàn)和測試設(shè)計特性安排進度計劃。

在第二種情況中，最重要的管理工作是確保落實充分理解的流程，以便評估和決定應(yīng)該進行哪些修改以及每種修改為總體開發(fā)進度計劃帶來的影響如何。這里可以運用多種項目管理理念和技巧。最重要的一點是完成上述修改評估和影響評估。

就專門的FPGA規(guī)劃和開發(fā)而言，F(xiàn)PGA的優(yōu)勢之一在于能夠多次修訂硬件平臺和多次把硬件平臺下載到原型PCB上。設(shè)計團隊?wèi)?yīng)充分發(fā)揮這一功能的優(yōu)勢。因此建議的開發(fā)規(guī)劃是逐漸把特性添加到能夠工作的設(shè)計中。其思路是從能夠?qū)崿F(xiàn)主要通信接口的基本設(shè)計出發(fā)，無需實現(xiàn)全部需求就能工作。

這樣做能夠帶來雙重好處。首先可以確保隨時有一個可工作的設(shè)計，您可用來調(diào)試PCB和更大型系統(tǒng)。其次，調(diào)試實際的FPGA設(shè)計會簡單得多，因為可以檢查新添加的特性，確保新添加的特性不會干擾或中斷當(dāng)前可工作的設(shè)計。

與FPGA設(shè)計開發(fā)同步，同樣重要的是為實現(xiàn)的FPGA設(shè)計準(zhǔn)備良好的仿真環(huán)境規(guī)劃。投資開發(fā)穩(wěn)健可靠的仿真環(huán)境，就可以復(fù)制現(xiàn)實數(shù)據(jù)流，在仿真中重現(xiàn)出錯條件，迅速隔離和判斷根本原因，從而不僅能減少設(shè)計缺陷，還能顯著縮短實驗室調(diào)試時間。

開發(fā)穩(wěn)健可靠的測試仿真環(huán)境和開發(fā)FPGA本身一樣復(fù)雜，需要視同開發(fā)FPGA一樣規(guī)劃和考量。