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

重建一體化

如前所述，簡(jiǎn)單地在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)工作流程中添加FPGA開發(fā)流程難以充分發(fā)揮FPGA的全部?jī)?yōu)勢(shì)。對(duì)于需要降低NRE成本、加快設(shè)計(jì)速度的應(yīng)用而言，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所帶來(lái)的局限性會(huì)抵消這種優(yōu)勢(shì)；而這正是FPGA應(yīng)當(dāng)發(fā)揮最大作用的地方。

恢復(fù)設(shè)計(jì)選擇和全面發(fā)揮FPGA優(yōu)勢(shì)的第一步就是讓硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)和可編程硬件設(shè)計(jì)等統(tǒng)一起來(lái)。通過(guò)使用來(lái)自整體設(shè)計(jì)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型中的一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)和應(yīng)用，設(shè)計(jì)域可隨各域中設(shè)計(jì)的變化而實(shí)現(xiàn)交互和及時(shí)響應(yīng)。在實(shí)踐中，各個(gè)域采用的都是同一設(shè)計(jì)和組件庫(kù)數(shù)據(jù)中的子集。由于更改可以方便地(甚至是自動(dòng)地)反映在所有設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，因而可以顯著簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)更改，如在軟件與硬件之間進(jìn)行功能轉(zhuǎn)移，或探索其他器件等。

例如，在統(tǒng)一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)池中，針對(duì)選定FPGA器件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和配置文件可同時(shí)適用于硬件和FPGA設(shè)計(jì)領(lǐng)域。如果FPGA器件或其引腳配置在FPGA設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了更改，該信息會(huì)立即用于硬件設(shè)計(jì)的實(shí)施。這樣，我們探索不同設(shè)計(jì)選擇就能變得更加有效，而且硬件和FPGA設(shè)計(jì)域之間的引腳交換等高級(jí)設(shè)計(jì)功能也得以簡(jiǎn)化。

充分利用可再編程性

在這種一體化的設(shè)計(jì)環(huán)境中，開發(fā)人員終于能夠充分發(fā)揮FPGA的靈活性了。例如在典型的環(huán)境中，物理硬件組件的大多數(shù)實(shí)際放置位置會(huì)造成FPGA與外設(shè)的連接極為復(fù)雜，而這一方面也是高密度BGA封裝造成的問(wèn)題。

解決方法之一就是在FPGA內(nèi)部來(lái)解決部件之間布線的復(fù)雜性，通過(guò)FPGA可重新配置的引腳和內(nèi)部布線功能來(lái)實(shí)現(xiàn)板上連接線路的戰(zhàn)略安排。

我們?cè)谶@里用FPGA的引腳再分配和內(nèi)部布線功能解決板上布線難題，還有可能減少板上空間占用和層數(shù)要求。這一理念同樣依賴于平臺(tái)級(jí)的軟硬件與FPGA開發(fā)環(huán)境，只有這樣才能支持硬件與FPGA域之間的智能和自動(dòng)引腳交換。

此外，這種一體化設(shè)計(jì)方案還將實(shí)施可提升設(shè)計(jì)流程抽象程度的全局軟件系統(tǒng)變成了一種可能，如可采用圖表或圖形化嵌入式設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)軟硬件域的同步。由于數(shù)據(jù)已經(jīng)作為貫穿于一體化設(shè)計(jì)環(huán)境所有域的統(tǒng)一實(shí)體而存在，所以與采用一系列獨(dú)立工具的系統(tǒng)不同的是，單個(gè)域中較高級(jí)的設(shè)計(jì)抽象不會(huì)增加設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流的復(fù)雜性。

這種設(shè)計(jì)抽象的自然延伸的目的是實(shí)施軟件元素與其所依附硬件能有效分離的高級(jí)嵌入式層。這些插入的層實(shí)現(xiàn)了處理器與其他硬件(如內(nèi)存和外設(shè))之間接口的標(biāo)準(zhǔn)化，因而無(wú)需再考慮I/O配置和總線系統(tǒng)的底層硬件復(fù)雜性問(wèn)題。無(wú)論是進(jìn)行傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更新、不同產(chǎn)品模式配置、現(xiàn)有IP重用，還是執(zhí)行生產(chǎn)后期升級(jí)，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)的再配置都將成為一個(gè)更簡(jiǎn)單、更低風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程。

在實(shí)踐中，采用Wishbone總線架構(gòu)、基于庫(kù)的FPGA內(nèi)核可同時(shí)支持處理器和外設(shè)。通過(guò)有效“包裹”器件，使其在架構(gòu)上等同于其他處理器，該內(nèi)核可以提取處理器接口，從而能夠根據(jù)需要修改處理器，而不會(huì)影響與其相連的外設(shè)，或者造成設(shè)計(jì)方案的被迫大幅修改。除了基于FPGA的“軟”器件之外，上述理念還可擴(kuò)展適用于混合型硬內(nèi)核處理器、外部處理器以及片外獨(dú)立外設(shè)和存儲(chǔ)器器件。

新一代FPGA設(shè)計(jì)

本文介紹的一體化高級(jí)設(shè)計(jì)方法是通過(guò)發(fā)揮FPGA主機(jī)的可再編程功能實(shí)現(xiàn)的。所有應(yīng)用的層和接口以及功能設(shè)計(jì)本身都自動(dòng)包含在FPGA系統(tǒng)中。因此，與適用于“固定”ASIC類SoC設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)流程不同，功能相當(dāng)?shù)母呒?jí)FPGA能在不嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)方案其他部分的情況下動(dòng)態(tài)探索不同的硬件設(shè)計(jì)選擇。

RobEvans現(xiàn)任AltiumLimited技術(shù)編輯。他在電子設(shè)計(jì)與出版行業(yè)擁有超過(guò)20年的豐富經(jīng)驗(yàn)，并曾在澳大利亞墨爾本的RMIT學(xué)習(xí)電子工程。