專家點(diǎn)撥：如何發(fā)揮FPGA設(shè)計(jì)的無限潛力

盡管FPGA為嵌入式設(shè)計(jì)帶來了強(qiáng)大的功能與靈活性，但額外的開發(fā)流程也給設(shè)計(jì)工作增加了新的復(fù)雜性和限制問題。整合傳統(tǒng)的硬件-FPGA-軟件設(shè)計(jì)流程并充分利用FPGA的可再編程功能是我們的一個(gè)解決之道。

隨著FPGA技術(shù)逐步延伸至軍事電子系統(tǒng)以及嵌入式電子產(chǎn)業(yè)的幾乎全部領(lǐng)域，能發(fā)揮可編程邏輯優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用已經(jīng)占據(jù)主流地位。通信、機(jī)載和控制系統(tǒng)尤其受益于FPGA的設(shè)計(jì)靈活性、現(xiàn)場重構(gòu)和并行處理功能。同時(shí)，較短的設(shè)計(jì)周期和更加簡化的驗(yàn)證過程則有助于加快應(yīng)用投入現(xiàn)場的進(jìn)程。

盡管FPGA無所不在，但能真正全面發(fā)揮FPGA靈活設(shè)計(jì)潛力的應(yīng)用卻很少。之所以存在這種局限性，原因在于FPGA開發(fā)很大程度上只是簡單地疊加，或者最多也只是連接于傳統(tǒng)的軟硬件工作流程上。這個(gè)孤立的FPGA開發(fā)階段會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)流程的復(fù)雜性大幅上升——并最終限制軟硬件領(lǐng)域可用的設(shè)計(jì)選擇范圍。

為了簡化整體設(shè)計(jì)工作，并豐富設(shè)計(jì)選項(xiàng)，硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)和可編程硬件設(shè)計(jì)等獨(dú)立的設(shè)計(jì)過程需集成在一起，以作為一個(gè)整體的任務(wù)進(jìn)行處理。只有在基礎(chǔ)層面上讓所有設(shè)計(jì)進(jìn)程都能共享統(tǒng)一的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫和通用的設(shè)計(jì)環(huán)境，F(xiàn)PGA的可再編程性這一最主要的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)才能得到充分發(fā)揮，從而將FPGA設(shè)計(jì)推向前所未有的水平。全面發(fā)揮FPGA靈活性優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵在于了解其發(fā)展趨勢(shì)及所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并掌握如何讓包含F(xiàn)PGA系統(tǒng)中的三大設(shè)計(jì)方面(硬件、可編程硬件和軟件)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)整合。

FPGA從膠合邏輯向SoC方向發(fā)展

FPGA剛進(jìn)入嵌入式市場領(lǐng)域時(shí)，被認(rèn)為是用于實(shí)施大量簡單膠合邏輯的方便而有效的替代技術(shù)。在這種應(yīng)用中，嵌入式硬件是主要軟硬件設(shè)計(jì)的附屬部分，其開發(fā)過程不涉及其他組件的設(shè)計(jì)流程，也不需要與這些流程進(jìn)行交互。

不過，現(xiàn)在的FPGA器件及其使用方式已經(jīng)在海量數(shù)字邏輯便捷容器概念的基礎(chǔ)上發(fā)生了重大變化。大容量FPGA現(xiàn)在能承載整個(gè)SoC設(shè)計(jì)，其中處理器、內(nèi)存以及高速數(shù)據(jù)處理等核心功能元素都在可編程領(lǐng)域?qū)嵤Ｔ谲娪们度胧较到y(tǒng)中，由于受產(chǎn)量相對(duì)較低的影響，很難采用ASIC設(shè)計(jì)方案，而FPGA則為充分發(fā)揮SoC設(shè)計(jì)方案的物理簡單性和可靠性等優(yōu)勢(shì)提供了一條經(jīng)濟(jì)高效的可行之道。

相對(duì)于簡單的膠合邏輯設(shè)計(jì)而言，SoC實(shí)施的一個(gè)重大不同點(diǎn)在于，軟硬件開發(fā)現(xiàn)在基本上都是關(guān)聯(lián)于、且依賴于FPGA設(shè)計(jì)。這是因?yàn)镕PGA器件和支持外設(shè)是物理設(shè)計(jì)的中心與核心元素，而嵌入式應(yīng)用軟件也要裝載在FPGA上發(fā)揮作用。因此，F(xiàn)PGA域的任何更改都會(huì)對(duì)軟硬件域造成顯著影響。

受限制的創(chuàng)新

如果將硬件、軟件乃至當(dāng)前的嵌入式硬件等設(shè)計(jì)的各個(gè)部分視作是彼此分開、互不關(guān)聯(lián)的任務(wù)，則無論設(shè)計(jì)域之間如何相互依存，F(xiàn)PGA產(chǎn)品設(shè)計(jì)的常規(guī)開發(fā)流程采用的仍然是傳統(tǒng)方案。

某個(gè)設(shè)計(jì)域的變動(dòng)往往會(huì)對(duì)其他域造成具有破壞性影響且耗時(shí)巨大的重新設(shè)計(jì)。也就是說，必須在設(shè)計(jì)階段早期就做出(并且鎖定)軟硬件分區(qū)等重大決策，這與傳統(tǒng)的非FPGA嵌入式設(shè)計(jì)別無二致。實(shí)際上，F(xiàn)PGA器件和外設(shè)硬件等物理硬件和隨后的可編程硬件元素在有意義的軟件開發(fā)之前都被依次一一鎖定了。

這些最初的決策決定了后續(xù)開發(fā)流程的參數(shù)和限制，因此設(shè)計(jì)的可選項(xiàng)會(huì)隨著流程的逐步推進(jìn)而越來越少。例如，選定的FPGA器件(和硬件外設(shè))將定義包括確定采用哪種嵌入式IP等在內(nèi)的性能上限，嵌入式硬件設(shè)計(jì)進(jìn)而定義軟件可用的功能。或者說，F(xiàn)PGA器件只能支持該器件廠商提供的軟處理器，這進(jìn)而也定義了應(yīng)用軟件可用的編程選擇。

此外，要想微調(diào)設(shè)計(jì)方案的性能，比如將軟件算法轉(zhuǎn)移到嵌入式硬件中、或者從嵌入式處理器轉(zhuǎn)為硬連接的處理器、抑或是選擇不同的FPGA類型等，都會(huì)導(dǎo)致對(duì)硬件、可編程硬件和軟件等所有域進(jìn)行大規(guī)模重新設(shè)計(jì)。對(duì)開發(fā)時(shí)間緊迫的軍事／航空系統(tǒng)而言，這種重新設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)周期造成的中斷影響極大，因此大多數(shù)工程師都會(huì)全力避免這種設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。不過，高性能和設(shè)計(jì)穩(wěn)定性同樣至關(guān)重要，因此檢查處理器選項(xiàng)并充分利用軟算法的優(yōu)勢(shì)來替代硬算法也是必不可少的。