FPGA设计规划框架

这款久经考验的FPGA开发框架是您通向完美项目执行的通途。

作者：Jeffrey Lin
赛灵思公司全球通信服务部高级经理
Jeffrey.lin@xilinx.com

长久以来新型FPGA的功能和性能已经为它们赢得系统中的核心位置，成为许多产品的主要数据处理引擎。

鉴于FPGA在如此多应用中的重要地位，采取正式且注重方法的开发流程来处理FPGA设计比以往更加重要。该流程旨在避免开发周期后期因发现设计缺陷而不得不进行费时费钱的设计修改，而且该缺陷还可能对项目进度计划、成本和质量造成灾难性影响。

赛灵思全球通信服务部一直以来都采用久经考验的设计框架来为其客户开发和交付一揽子FPGA设计，产品涵盖医疗图像处理工程到自学网络交换工程，应有尽有。该框架在我们设计、开发以及交付成百上千FPGA设计的过程中得到不断发展和完善。

我们使用的框架覆盖从系统架构考量到FPGA开发与测试规划等各个环节。我们从FPGA硬件的角度重点详细介绍该框架，通过介绍希望其他工程团队能够发现该框架在复杂的FPGA设计项目里面的优点。

框架简介

该框架是一种在FPGA中设计硬件的自上而下的迭代设计方法。首先规划从系统架构层面出发决策FPGA功能。随后我们根据FPGA器件的已知功能和性能逐步优化FPGA设计的特性。

另外，大型FPGA设计的实现需要制定完备的开发、仿真和验证规划。该框架的作用就是帮助我们制定这些规划。简而言之，该框架可归纳为图1所示的流程图。本文的讨论将集中在规划和技术文档部分(顶部)。


图1 - FPGA开发框架

系统架构

就本讨论范围而言，系统架构指在系统软件和硬件之间的功能划分。尤其，重点是将硬件功能细分到FPGA以及其它微芯片组件上(假设已经明确产品层面需求)，例如市场营销或产品定义部门可能已经参与进来并明确产品需求。

在系统架构阶段，思路是如何明确地让这些产品需求在真实产品中得以实现。就FPGA来说，主要的决策围绕着应将哪些特性和功能在FPGA中实现，以及进一步，哪些特性和功能适合在FPGA中实现。

通过提前定义FPGA的高级要求，就能避免开发流程已接近尾声时进行成本不菲的设计及需求修改。在设计早期阶段明确系统架构有助于指导用户做出对开发时间和产品成本至关重要的多项重大决策。

在这个层面上探讨，只需要一般性地概略介绍FPGA特性。详细特性和实现需求将在FPGA需求定义过程的后续阶段进行定义。本次探讨的参与者应包括熟悉系统级要求的、了解系统级架构设计的，以及熟悉FPGA特性与功能的等不同人员。

具体就FPGA而言，需要回答十大问题：

1. 要在FPGA中实现的特性列表是什么样的?
2. 在FPGA中实现特性与使用非FPGA组件实现特性相比，需在技术上做怎样的权衡取舍?
3. 在FPGA中实现与使用非FPGA组件实现相比，设计工作量/成本分别如何?
4. 需要什么样的定制特性或处理?
5. FPGA的灵活性对功能有什么好处?
6. 您应该考虑的未来风险缓解措施是什么?
7. 能否把多个非FPGA组件的特性集中到FPGA中?
8. 根据准备实现的设计特性，如何选择FPGA器件?
9. 特性是否能在FPGA中实现?
10. 需要什么样的非FPGA器件，如何让这些非FPGA器件与FPGA接口相连?

FPGA架构

FPGA架构属于FPGA器件上物理层的微架构级和芯片级数据流设计。您的团队应与系统级架构同步设计该架构，以确定器件尺寸、选择器件和可行性。

定义FPGA架构的目的，是确保系统架构需求是准确、现实、切实可行的设计要求，能够在FPGA中实现。

这个层面的探讨需要对FPGA架构和资源的特性与功能有深入的认识。因此应该由经验丰富的FPGA设计人员参与完成。在这个阶段，您必须考虑与FPGA性能目标、潜在风险因素和FPGA资源利用率。

在FPGA架构定义阶段，您有可能会发现系统级需求和架构无法实现，或是对实现在FPGA中而言存在高风险。在这种情况下您必须重新评估和更新系统架构，以创建在FPGA中可实现的高级需求列表。

您应问问自己现有IP哪些可供使用，还必须创建哪些IP。此外，您还需要检查I/O需求，以及把时钟域和时钟特性映射到FPGA时钟资源的方法。其 他关键问题包括：如何在FPGA上布局千兆位收发器(GT)资源;在SSI器件中是否已考虑到交叉SLR数据流;目标时钟频率对设计功能而言是否实际。最 后，您还必须评估您设计的目标性能对选择的FPGA而言是否实际。

FPGA需求定义与划分

FPGA需求定义和划分阶段与系统和FPGA架构定义紧密关联并受这两个阶段的决策左右。FPGA需求定义指定义准备在FPGA中实现的详细需求， 并用作明确的特性清单以供设计和测试工程团队设计、测试和实现。FPGA需求定义与系统和FPGA架构需求定义的不同之处在于FPGA需求是精确的。该清 单定义了FPGA的细致要求，而不仅仅是系统的不同组件之间的功能划分，或是穿越FPGA的数据流之间的功能划分。

这个阶段的目的是清楚地定义FPGA工程团队确切能实现和测试的内容。在这个阶段，用户将把高级系统和FPGA架构需求转换成用于实现的具体需求。 这样做能够带来双重好处。首先，单独定义FPGA需求能突出强调系统和FPGA架构的任何局限以及之前未曾考虑到或未曾预见到的状况。其次，该步骤将为 FPGA设计的开发和测试的顺利执行铺平道路。

为适当地描述FPGA需求，您必须建立清晰且简明扼要的定义，以便提炼成单独的需求。我们建议为各项需求添加标签或序号，使用易于判断其能否实现的简短描述来定义各项需求，避免用高级含糊的需求用语。只要足够清晰扼要，您可以使用任何行业标准格式或专有格式。

避免使用含混或界定不清的用语，例如“快速”或“小型”。应坚持使用有明确目标的用语，如“400MHz”或“4.2K触发器”。这样定义的目的旨 在确保将文档分配给之前不了解系统或FPGA架构的开发工程团队进行实施时不再需要反复澄清。您需要检查每个需求是否表述清楚、简洁、明确且是否包含了所 有必需的信息以避免反复澄清的必要。此外，还应该注意需求中是否包括管脚和I/O定义?是否所有的高级需求都已经分解为基本设计要素?未参与早期系统架构 定义的设计团队是否能够使用这些需求开发FPGA?以及最后测试与验证团队是否能使用该文档开发测试平台和制定测试方案，明确验证每一项需求是否通过。