FPGA研发之道（4）灵活性的陷阱

作者：阿昏豆

        如果说用一个词来描述FPGA的特性，灵活性肯定名列前茅。

        FPGA的灵活性在于：

         （一）I/O的灵活性，其可以通过其I/O组成各种接口与各种器件连接，并且支持不同的电气特性。

         （二）内部存储器灵活性，可以通过IP生成工具生成各种深度和宽度的RAM或者FIFO等。

         （三）逻辑的灵活性，内部逻辑通可生成的各种类型IP。  

         对于I/O接口来说，FPGA的I/O可以支持不同类型的电平和驱动能力，各I/O未定义之前其地位平等，例如一个数据信号可将其约束在任意引脚，只要其电平符合连接的规范。因此硬件工程师基于这种认识，在PCB布线时，基于布线需要，便调整其布线的顺序，例如互换两个信号的位置。通常情况上，这种调整是没有任何问题的。但是随着FPGA的接口IP核硬核化的趋势，逐渐由很多的接口IP不能支持这种调整。例如对于较早的SDRAM或者DDRSDRAM来说，在xilinx和ALTERA的FPGA上，其数据、地址信号等都是可调的。但是随着DDR2，DDR3接口的出现，其IP接口，只能支持在某个BANK并且例化结束后直接生成相应的约束文件，而这些的改动将会导致布局布线的错误。另一些例子则是一些高速SERDES的组合。例如对于XAUI接口来说，其硬核IP（ALTERA）上就不支持4组SERDES的顺序互换，这将会影响其硬核FCS的编码。如果板级连接上与PHY的顺序与FPGA例化IP的约束不一致，则其硬核PCS就不能布局布线通过（软核FCS可以支持调整）。这种灵活性认识导致硬件板级互联的问题可谓屡见不鲜，特别是系统复杂度的上升，板级连线的增加，将会导致设计人员疏忽从而掉入“灵活性的陷阱”。解决此类问题的方法。包括（1）预评估，在设计之前就在FPGA上评估所需的接口的逻辑占用、约束位置、时钟需求等等，预先评估给系统设计提供相应的数据支撑和设计参考。（2）沟通，对于设计的变更，要进行有效沟通，不能使铁路警察，各管一段。（3）设计评审，虽然老套，但每个环节上的评审能有效减少掉入类似陷阱的几率。

        对于内部存储资源，大多数FPGA工程师就是拿来就用的状态。而缺少整体内部memory规划，一般来说，对于单端口、双端口、假双端口，各型芯片手册中都有明确的定义，例如xilinx的SPATAN3系列中最小RAM单元为18K。一个RAM例化最小单位就是18K。而新的器件中最小单位一般为9K。也就是说虽然工程师例化的较小的RAM，例如256*16.只有4K，但是其也占用一个最小单元，根据器件的不同而不同。而乱用双端口导致RAM资源的过分占用则是更常见的设计问题。FPGA内部对于单个RAM能够支持的真双端口是有限制的。举例说明，对于ALTERA的9K的存储单元一般支持512*18的双端口RAM。但如果是一个256*32的双端口则需要占用2个9K的存储RAM。也就是说，RAM器件的能力是有限的，这取决于RAM的外部互联线是有限的，以刚才说的256*32的双端口RAM来说，其需要数据线就是64根（双端口），对于单个RAM的连线资源来说，这是FPGA内部逻辑资源难以承受的。所以根据器件特定，合理规划内部memory资源，才能在最大限度的达到高效的利用。

       FPGA内部可以例化各型IP，基于IP的复用的可以大大增加研发的进度。但是各种IP的互联之间则需对IP的特性了解清楚，明确IP是否为业务所需的IP。有的IP和工程所需可能只是名称一致，但其功能却不是你想要的。例如网口IP在MII连接方式下，是用于FPGA连接PHY的操作。如果FPGA与CPU通过MII连接，现有的IP则难以满足需求。这是因为MII连接PHY其所有的时钟都是PHY提供的。CPU的设计也是与PHY连接，其时钟也有PHY提供。而如果二者连接，就变成都等着对方提供时钟，则就变成没有时钟。这种调试问题相对来说容易解决，不过在系统规划是，就需要对整个IP是否能够满足系统的设计要求，有着明确的判断。

      灵活性是FPGA最大的特性，在设计中避开那些灵活性的陷阱，才能从FPGA整体上提升设计能力，而不是做只会写Verilog的码农。毕竟FPGA设计不是软件设计，其最终要成为变成硬件承载的，每一行语句都要考虑其综合后的电路，才能真正领会FPGA设计的精髓。