FPGA研发之道（6）架构设计漫谈（一）流驱动和调用式

作者：阿昏豆

     勿用讳言，现在国内FPGA开发还处于小作坊的开发阶段，一般都是三、四个人，七八台机器.小作坊如何也能做出大成果。这是每个FPGA工程师都要面临的问题。架构设计是面临的第一关。经常有这样的项目，需求分析，架构设计匆匆忙忙，号称一两个月开发完毕，实际上维护项目就花了一年半时间。主要包括几个问题，一，性能不满足需求。二，设计频繁变更。三，系统不稳定，调试问题不收敛。

        磨刀不误砍柴工，FPGA设计的需求分析是整个设计第一步。如何将系统的功能需求，转换成FPGA的设计需求，是FPGA架构设计的首要问题。首先， 需要明确划分软件和硬件的边界。软件主要处理输入输出、界面显示、系统管理、设备维护。而FPGA则负责大数据流的处理。

         如果使用几百元FPGA实现了一个十几元单片机就能完成的功能，就算实现的非常完美，那么这是一个什么样的神设计?任何一个项目都要考虑成本，研发成本、物料成本、维护成本等等。FPGA的使用位置必定是其他器件难以企及的优势。

        因此对于一个FPGA架构设计，其首先需要考虑就是性能，如没有性能的需求，其他的处理器ARM就可能替代其功能。其次就是接口，用于处理器扩展其没有的接口，作为高速接口转换。最后，需要考虑就是可维护性，FPGA的调试是非常耗时的，一个大型的FPGA的编译时间在几小时甚至更高（通过嵌入式分析仪抓信号，每天工作8小时，只能分析两到三次）。而软件调试只需make，编译时间以秒来记（这个问题可以通过提升编译服务器性能改善而不能消失，本质上要考虑可测性设计）。如果不考虑维护性和可测性，调试成本和压力就非常之大。

         通常，FPGA的大部分架构设计可以采用数据流驱动的方式来实现，例子1，假设一个实现视频解压缩FPGA的设计，输入是无线接口，输出为显示屏。那么输入输出的接口基本就能确定。以数据流为驱动可以粗略划分，输入接口->解压缩模块->视频转换模块->显示接口。如需要视频缓冲，则确定是否需要连接外部存储器。那就需要确认在什么位置进行数据的缓冲。通过要支持显示的画面的质量，就能确认最大码流，同样可以计算视频解压模块和转换模块的计算能力，从而导出所需的内部总线宽度，系统频率，以及子模块个数等等。例子2，某支持通过有线电视网上网电视IP网关，同样也是输入的普通IP网络，输出为有线调试网的调试解调器。将IP报文等长填充后，在固定时隙内送入有线电视网中，同样也是基于数据流驱动的方式。

        数据流驱动式架构，可以作为FPGA设计中一个最重要的架构。通常来说应用于IP领域、存储领域、数字处理领域等较大型FPGA设计都是数据流驱动式架构，主要包括输入接口单元，主处理单元，输出接口单元。还可能包括，辅助处理单元、外部存储单元。这些单元之间一般采用流水式处理，即处理完毕后，数据打包发完下一级处理。其中输入输出可能有多个，此时还需要架构内部实现数据的交换。

        另一种较为常用的架构方式为调用式架构，即一般FPGA通过标准接口如PCI、PCI-E，CPCI，PCI-X，EMIF等等。各种接口，FPGA内部实现某一加速单元，如视频加速，数据处理，格式转换等操作。这种结构基本基本围绕FPGA接口、加速单元展开，属于数据的反馈类型，即处理完数据又反馈回接口模块。

       其他虽然各型各样，如SOPC，如各型接口，但本质上其都是为上述架构服务的，或做配置管理替代外部CPU，或在数据流中间传递中间参数。或在内部实现CPU+协处理器的架构，因此说，无他变化。

        孙子兵法云：“兵无常势，水无常形”。但是对于一种设计技术来说，没有一种固定演进的架构和设计，那么项目的整个设计层次总是推到重来，从本质上说，就是一种低水平重复。如果总结规律，提炼共性，才能在提升设计层次，在小作坊中取得大成果。