FPGA研發(fā)之道(4)靈活性的陷阱

　　如果說(shuō)用一個(gè)詞來(lái)描述FPGA的特性，靈活性肯定名列前茅。

　　FPGA的靈活性在于：

　　(一)I/O的靈活性，其可以通過(guò)其I/O組成各種接口與各種器件連接，并且支持不同的電氣特性。

　　(二)內(nèi)部存儲(chǔ)器靈活性，可以通過(guò)IP生成工具生成各種深度和寬度的RAM或者FIFO等。

　　(三)邏輯的靈活性，內(nèi)部邏輯通可生成的各種類型IP。

　　對(duì)于I/O接口來(lái)說(shuō)，FPGA的I/O可以支持不同類型的電平和驅(qū)動(dòng)能力，各I/O未定義之前其地位平等，例如一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)可將其約束在任意引腳，只要其電平符合連接的規(guī)范。因此硬件工程師基于這種認(rèn)識(shí)，在PCB布線時(shí)，基于布線需要，便調(diào)整其布線的順序，例如互換兩個(gè)信號(hào)的位置。通常情況上，這種調(diào)整是沒(méi)有任何問(wèn)題的。但是隨著FPGA的接口IP核硬核化的趨勢(shì)，逐漸由很多的接口IP不能支持這種調(diào)整。例如對(duì)于較早的SDRAM或者DDRSDRAM來(lái)說(shuō)，在xilinx和ALTERA的FPGA上，其數(shù)據(jù)、地址信號(hào)等都是可調(diào)的。但是隨著DDR2，DDR3接口的出現(xiàn)，其IP接口，只能支持在某個(gè)BANK并且例化結(jié)束后直接生成相應(yīng)的約束文件，而這些的改動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致布局布線的錯(cuò)誤。另一些例子則是一些高速SERDES的組合。例如對(duì)于XAUI接口來(lái)說(shuō)，其硬核IP(ALTERA)上就不支持4組SERDES的順序互換，這將會(huì)影響其硬核FCS的編碼。如果板級(jí)連接上與PHY的順序與FPGA例化IP的約束不一致，則其硬核PCS就不能布局布線通過(guò)(軟核FCS可以支持調(diào)整)。這種靈活性認(rèn)識(shí)導(dǎo)致硬件板級(jí)互聯(lián)的問(wèn)題可謂屢見(jiàn)不鮮，特別是系統(tǒng)復(fù)雜度的上升，板級(jí)連線的增加，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員疏忽從而掉入“靈活性的陷阱”。解決此類問(wèn)題的方法。包括(1)預(yù)評(píng)估，在設(shè)計(jì)之前就在FPGA上評(píng)估所需的接口的邏輯占用、約束位置、時(shí)鐘需求等等，預(yù)先評(píng)估給系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐和設(shè)計(jì)參考。(2)溝通，對(duì)于設(shè)計(jì)的變更，要進(jìn)行有效溝通，不能使鐵路警察，各管一段。(3)設(shè)計(jì)評(píng)審，雖然老套，但每個(gè)環(huán)節(jié)上的評(píng)審能有效減少掉入類似陷阱的幾率。

　　對(duì)于內(nèi)部存儲(chǔ)資源，大多數(shù)FPGA工程師就是拿來(lái)就用的狀態(tài)。而缺少整體內(nèi)部memory規(guī)劃，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于單端口、雙端口、假雙端口，各型芯片手冊(cè)中都有明確的定義，例如xilinx的SPATAN3系列中最小RAM單元為18K。一個(gè)RAM例化最小單位就是18K。而新的器件中最小單位一般為9K。也就是說(shuō)雖然工程師例化的較小的RAM，例如256*16.只有4K，但是其也占用一個(gè)最小單元，根據(jù)器件的不同而不同。而亂用雙端口導(dǎo)致RAM資源的過(guò)分占用則是更常見(jiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。FPGA內(nèi)部對(duì)于單個(gè)RAM能夠支持的真雙端口是有限制的。舉例說(shuō)明，對(duì)于ALTERA的9K的存儲(chǔ)單元一般支持512*18的雙端口RAM。但如果是一個(gè)256*32的雙端口則需要占用2個(gè)9K的存儲(chǔ)RAM。也就是說(shuō)，RAM器件的能力是有限的，這取決于RAM的外部互聯(lián)線是有限的，以剛才說(shuō)的256*32的雙端口RAM來(lái)說(shuō)，其需要數(shù)據(jù)線就是64根(雙端口)，對(duì)于單個(gè)RAM的連線資源來(lái)說(shuō)，這是FPGA內(nèi)部邏輯資源難以承受的。所以根據(jù)器件特定，合理規(guī)劃內(nèi)部memory資源，才能在最大限度的達(dá)到高效的利用。

　　FPGA內(nèi)部可以例化各型IP，基于IP的復(fù)用的可以大大增加研發(fā)的進(jìn)度。但是各種IP的互聯(lián)之間則需對(duì)IP的特性了解清楚，明確IP是否為業(yè)務(wù)所需的IP。有的IP和工程所需可能只是名稱一致，但其功能卻不是你想要的。例如網(wǎng)口IP在MII連接方式下，是用于FPGA連接PHY的操作。如果FPGA與CPU通過(guò)MII連接，現(xiàn)有的IP則難以滿足需求。這是因?yàn)镸II連接PHY其所有的時(shí)鐘都是PHY提供的。CPU的設(shè)計(jì)也是與PHY連接，其時(shí)鐘也有PHY提供。而如果二者連接，就變成都等著對(duì)方提供時(shí)鐘，則就變成沒(méi)有時(shí)鐘。這種調(diào)試問(wèn)題相對(duì)來(lái)說(shuō)容易解決，不過(guò)在系統(tǒng)規(guī)劃是，就需要對(duì)整個(gè)IP是否能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，有著明確的判斷。

　　靈活性是FPGA最大的特性，在設(shè)計(jì)中避開(kāi)那些靈活性的陷阱，才能從FPGA整體上提升設(shè)計(jì)能力，而不是做只會(huì)寫Verilog的碼農(nóng)。畢竟FPGA設(shè)計(jì)不是軟件設(shè)計(jì)，其最終要成為變成硬件承載的，每一行語(yǔ)句都要考慮其綜合后的電路，才能真正領(lǐng)會(huì)FPGA設(shè)計(jì)的精髓。