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，內部包括可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內部連線三個部分。每一塊FPGA芯片都是由有限多個帶有可編程連接的預定義源組成來實現一種可重構數字電路。

長久以來新型FPGA的功能和性能已經為它們贏得系統中的核心位置，成為許多產品的主要數據處理引擎。

鑒于FPGA在如此多應用中的重要地位，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)現設計缺陷而不得不進行費時費錢的設計修改，而且該缺陷還可能對項目進度計劃、成本和質量造成災難性影響。

本文所介紹的的框架覆蓋從系統架構考量到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介紹該框架，通過介紹希望其他工程團隊能夠發(fā)現該框架在復雜的FPGA設計項目里面的優(yōu)點。

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

另外，大型FPGA設計的實現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)劃和技術文檔部分(頂部)。

系統架構

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

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

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計及需求修改。在設計早期階段明確系統架構有助于指導用戶做出對開發(fā)時間和產品成本至關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。詳細特性和實現需求將在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包括熟悉系統級要求的、了解系統級架構設計的，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中實現的特性列表是什么樣的?

2. 在FPGA中實現特性與使用非FPGA組件實現特性相比，需在技術上做怎樣的權衡取舍?

3. 在FPGA中實現與使用非FPGA組件實現相比，設計工作量/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. 您應該考慮的未來風險緩解措施是什么?

7. 能否把多個非FPGA組件的特性集中到FPGA中?

8. 根據準備實現的設計特性，如何選擇FPGA器件?

9. 特性是否能在FPGA中實現?

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

FPGA架構屬于FPGA器件上物理層的微架構級和芯片級數據流設計。您的團隊應與系統級架構同步設計該架構，以確定器件尺寸、選擇器件和可行性。

定義FPGA架構的目的，是確保系統架構需求是準確、現實、切實可行的設計要求，能夠在FPGA中實現。

圖1 - FPGA開發(fā)框架

這個層面的探討需要對FPGA架構和資源的特性與功能有深入的認識。因此應該由經驗豐富的FPGA設計人員參與完成。在這個階段，您必須考慮與FPGA性能目標、潛在風險因素和FPGA資源利用率。

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

您應問問自己現有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數據流;目標時鐘頻率對設計功能而言是否實際。最后，您還必須評估您設計的目標性能對選擇的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和FPGA架構定義緊密關聯并受這兩個階段的決策左右。FPGA需求定義指定義準備在FPGA中實現的詳細需求，并用作明確的特性清單以供設計和測試工程團隊設計、測試和實現。FPGA需求定義與系統和FPGA架構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的細致要求，而不僅僅是系統的不同組件之間的功能劃分，或是穿越FPGA的數據流之間的功能劃分。

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

為適當地描述FPGA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簽或序號，使用易于判斷其能否實現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)標準格式或專有格式。

避免使用含混或界定不清的用語，例如“快速”或“小型”。應堅持使用有明確目標的用語，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或FPGA架構的開發(fā)工程團隊進行實施時不再需要反復澄清。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澄清的必要。此外，還應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分解為基本設計要素?未參與早期系統架構定義的設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品開發(fā)的其他部分協調一致。

這個階段的目標是適當地把當前的系統級需求、FPGA級需求和架構體現到開發(fā)規(guī)劃中。在通過前面介紹的規(guī)劃階段之后，現在開發(fā)團隊一般會面臨兩種情況。

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

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

雖然人人都想得到第一種情況的結果，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。

設計規(guī)劃的總體目標應是在開發(fā)周期的這個階段實現第一種情況。在第一種情況中，FPGA的開發(fā)簡單直觀，只需為實現和測試設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，FPGA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。設計團隊應充分發(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計中。其思路是從能夠實現主要通信接口的基本設計出發(fā)，無需實現全部需求就能工作。

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計，您可用來調試PCB和更大型系統。其次，調試實際的FPGA設計會簡單得多，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前可工作的設計。

與FPGA設計開發(fā)同步，同樣重要的是為實現的FPGA設計準備良好的仿真環(huán)境規(guī)劃。投資開發(fā)穩(wěn)健可靠的仿真環(huán)境，就可以復制現實數據流，在仿真中重現出錯條件，迅速隔離和判斷根本原因，從而不僅能減少設計缺陷，還能顯著縮短實驗室調試時間。

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