FPGA研发之道(15)-设计不是凑波形（五）接口设计

作者：阿昏豆

作为FPGA工程师来说，碰到新的问题是设计中最常见的事情了，技术发展趋势日新月异，所以经常会有新的概念，新的需求，新的设计等待去实现。不是每个通过BAIDU或者GOOGLE都有答案。

因此，新的设计经常会有，那如何实现？

假设，FPGA需要设计一个接口模块，那我们就需要了解一下几个问题：

（1）       同步接口还是异步接口模块；

（2）       有哪些信号，功能是什么?

（3）       信号之间时序关系是什么?

（4）       传递的效率能够达到多少；

（5）       等等！

谁会给予这些答案，有一个好的tutor就是“datasheet”，一般来说FPGA设计一个接口模块，必然与其他硬件电路进行连接。

假如是外部连接接口为总线接口，那至少包括却不限于以下信号，

（1）       地址：能够支持的最大地址空间，数据和地址是否复用接口；

（2）       数据：一般读数据和写数据复用同一接口，一般数据信号此时都为三态。三态信号有OE信号。

（3）       读写命令。单次的读操作、单次的写操作

（4）       是否支持突发传输，burst的读写操作

（5）       同步还是异步。

（6）       控制信号之间的相位关系及建立保持时间的要求。



   图为 TI 系列35X系列处理器的GPMC的接口，由图中可以看出其时钟、地址、数据等操作信号。

如果是同步并行接口，一般用于数据流传输，如AD/DA的输入或输出，网口PHY的输出信号等，一般的同步并行信号，通常包括，（1）时钟信号、（2）数据、信号（3）使能信号等。



        上图为RMII的数据接口，图中可以看到其控制信号，数据信号及使能信号。作为流传输接口，一般可以支持双向双工传输。上述两种接口描述了两种主流的FPGA的外部接口，即总线接口和流传输接口。通过软件定义和FPGA内部逻辑设计，总线接口可以实现流的传输（总线接口实现双向传输，可以通过轮询和中断两种方式实现），同时流传输接口也可以实现总线读写功能。可以根据具体的使用环境进行设计。

      SERDES接口则是另一种数据流的传输接口， 现在FPGA的serdes最高可以支持到28Gbps。实际上为了满足减少板级连线，并且提高传输速率的需求。集成更多的SERDES也是FPGA发展的趋势。



上图为SERDES的框图，由PCS和PMA模块构成，PMA一般为硬核IP，PCS为软核或者硬核模块，收发独立，且都为差分信号（serdes将在后续章节详述）。值得一提的是，SERDES接口对FPGA逻辑的接口一般固定位同步并行接口，数据信号位宽都较大。

这些接口如何做详细设计，一方面可根据其上述共性特点，这能够对其特点有大概的认识，另一方面则是FPGA连接的器件的DATASHEET。根据这些器件接口功能的描述和支持的特性。FPGA可根据需要和功能特性，进行有选择的实现（例如总线接口不需要brust操作，则可只实现单次的读写，就可以满足业务的需求，进行功能裁剪和简化等等）。

  接口设计完成，FPGA就要对设计进行基本测试。对于流接口来说，能够支持环回的功能的话（即将收到数据流再发回），就极大方便测试。对于总线接口则需要支持对FPGA内部某地址的读写操作的测试。这就属于可测性设计的范畴。（后续将专题详述FPGA的可测性设计）。

如果一个模块没有任何的输入输出，其再复杂的功能也等同一块石头，或者只有输入，没有输出也等同一块石头。因此输入和输出则是一个设计的第一步。