谈一谈FPGA研发心得

  发布时间:2023-10-24  |    作者:yi jin yun  |  浏览量:334

首先来说:
FPGA是一种器件。其英文名 feild programable gate arry 。很长,但不通俗。通俗来说,是一种功能强大似乎无所不能的器件。通常用于通信、网络、图像处理、工业控制等不同领域的器件。就像ARM、DSP等嵌入式器件一样,成为无数码农码工们情感倾泻而出的代码真正获得生命的地方。只不过,一样的编程,却是不一样的思想。嵌入式软件人员看到的是C。而FPGA工程师看到是硬件描述语言,verilog或VHDL。软件看到是函数、对象、重构。FPGA工程师则是模块、流水、复用。从现象上看,都是代码到下载程序再到硬件上运行。不能只看现象而忽略本质。FPGA 开发本质上是设计一颗IC,“**的身子,丫鬟的命”不是所有verilog/VHDL代码,都能获得青睐去流片成为真正的芯片,而更多的则成为运行在FPGA器件上,成为完成相同功能的替代品。其实现的功能却一点也不逊色于百万身价流片的近亲。从而成为独树一帜的行业。

FPGA开发的流程,是通过verilog/VHDL等硬件描述语言通过EDA工具编译、综合、布局布线成为下载文件,最终加载到FPGA器件中去,完成所实现的功能。那硬件描述语言描述的是什么?这里描述的就是组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路就是大家所熟知的 与门、或门、非门。时序逻辑电路则是触发器。数字芯片上绝大部分逻辑都是这两种逻辑实现的。也就是基本上每个电子行业的人所学过的数字电路。顺便说一下,感谢香农大师,在其硕士毕业论文<继电器与开关电路的符号分析>就奠定了数字电路的的根基。只不过在FPGA中,与或非的操作变成了查找表的操作。于是所有的数字电路变成了查找表和寄存器,这就构成了FPGA的基础。查找表负责逻辑实现,寄存器存储电路状态。二者配合,双剑合璧,天衣无缝。这是最初的FPGA的雏形。 现代FPGA内部出了查找表和寄存器之外,还有RAM块,用于存储大量的数据块,这是因为RAM块较寄存器来存储大量数据更能节省芯片实现的面积。FPGA内部的时序电路则需要时钟的输入,通常FPGA内部需要时钟种类较多,因此需要在片内产生所需的的相关的时钟,如不同频率,不同相位的时钟,因此时钟管理单元DCM/PLL也是必不可少的内部部件。除此之外,FPGA内部还包括接口I/O,I/O分为普通I/O和高速I/O,高速I/O支持例如高速的SERDES,用于实现XAUI,PCIE等高速接口,这些接口动辄几Gbps到10Gbps以上。

此外种类多种多样的硬核IP也是各FPGA厂商差异化竞争利器,例如POWERPC、ARM等硬核IP。从而构成CPU+FPGA于一体的集可编程性和可重构的处理平台。因此,相对来所,FPGA虽然发展有二三十年的历史,其基本架构一直不变不大。

回到问题开始的地方,FPGA的英文翻译过来是现场可编程门阵列。这是相对ASIC来说的,ASIC的硬件也可看做是门阵列,但是其是非可编程的器件。流片完成其功能就固化了,而FPGA的可编程性就在其能够重新下载配置文件,来改变其内在的功能,这就是其可编程性的由来。从前端开发流程来说,FPGA和ASIC开发并无二至。由于ASIC开发一次性投入成本较高,FPGA无疑是一种经济的替代方案,用于实现的高速的数据并行处理。如业务能够支撑大规模应用并且协议固化,则能够分摊成本的ASIC实现就有成本的优势。

FPGA作为一种器件,技术上主要垄断在少数大公司手中,那就是双巨头ALTERA和XILINX。除此之外还有一些份额相对较小的公司,例如ACTEL和LATTICE。不止是FPGA的硬件芯片,其配套的EDA工具技术壁垒更高。因此相对于CPU来说,FPGA的国产化更不乐观,不过已经有国内的厂商来从事这一行业,例如国微和京微雅格等,也在一些细分市场上推出自己的FPGA产品。

FPGA和他那些小伙伴们

(一) 系统架构组成
通常来讲,“一个好汉三个帮”,一个完整的嵌入式系统中由单独一个FPGA使用的情况较少。通常由多个器件组合完成,例如由一个FPGA+CPU来构成。通常为一个FPGA+ARM,ARM负责软件配置管理,界面输入外设操作等操作,FPGA负责大数据量运算,可以看做CPU的专用协处理器来使用,也常会用于扩展外部接口。常用的有ARM+FPGA,DSP+FPGA,或者网络处理器+FPGA等种种架构形式,这些架构形式构成整个高速嵌入式设备的处理形态。
不得不说的是,随着技术的进步,现在CPU中集成的单元也随之增加,例如TI的“达芬奇”架构的处理器内部通常由ARM+DSP构成。同时异构的处理器形态业逐渐流行,如ARM9+ARM7的结构。这类一个主要处理系统(ARM9)外带辅助处理系统(ARM7)的设计,同样成为现在处理器设计的流行方向。主处理系统运行嵌入式操作系统,而辅助处理单元则专注某一些的专用领域的处理。这些系统的应用减少了FPGA作为CPU协处理单元的领域。因为毕竟FPGA相比ARM等流行嵌入式处理器价格要相对较高。
在这种情形下,FPGA的厂商似乎也感受到了压力,不约而同推出了带ARM硬核的FPGA,例如ALTERA的 和XILINX的ZYNQ和ALTERA的SOC FPGA。这是即是互相竞争的需要,也是同众多CPU厂商一掰手腕的杰总。即使在这两种在趋势下,经典的处理器+FPGA的设计仍然可看做为高性能嵌入式系统的典型配置。

经典的处理器+FPGA的配置中有多种的架构形式,即多个处理器单元,可能是ARM,MIPS,或者DSP,FPGA也可能是多片的配置,具体架构形式于具体处理的业务相关和目标设备的定位也相关。因为FPGA作为简单业务流大数据量的处理形态仍然是CPU无可比拟的优势,FPGA内部可以开发大量业务数据并行,从而实现高速的数据处理。

在实现高速处理方面,CPU的另一个发展趋势是多核,多核处理器也能处理大数据量的业务的并行,例如业界TERILA已推出64核的多核处理器,采用MIPS处理器,通过二维MASH网络连接在一起,形成NOC的结构。在性能上已经和现有的高速FPGA的处理能力上不相上下。但是多核处理器的不得不说的问题就是,同一业务流分配到多核处理上后,如需交互,例如访问同一资源,就会造成读写的缓存一致的问题,解决的这一问题的天然思路是加锁,即在变量访问上加自旋锁,但是带来的问题就是处理性能的急剧下降。而FPGA无论并行处理和同一变量的访问,都可以变成工程师的设计水平的问题,没有原理性的挑战。

没有一种器件可以满足全人类的众多需求,因此不用担心FPGA没有用武之地。必定是一系列产品的组合。下面主要介绍一下FPGA可以作为现今热门场景的几种应用。
(1)网络存储产品,特别是现在的NAS,或者SAN设备上,其存储的时间、接口、安全性等都要求较高,而FPGA无论处理性能还是扩展接口的能力都使其在这一领域大有作为。现在高端FPGA单片就可以扩展32个或者更多4G或者8G的FC接口。并且其协议    处理相对的固定,也使FPGA在这一领域有大量的可能应用。
(2)高速网络设备,现在高速网络设备10G、40/100G以太网设备领域,同样FPGA也是关键的处理部件。特别是IPv6的商用化及大数据对于基础设施的高要求,都使这一领域的处理应用会逐渐广泛,这一领域通常是高速网络处理器(NP)+FPGA的典型架    构。
(3)4G等通信设备,对于新一代通信基站的信号处理,FPGA+DSP阵列的架构就是绝配。特别是在专用处理芯片面世之前,这样的架构可以保证新一代通信基础设施的迅速研发和部署。
   没有完美的架构,只有合适的组合,各种芯片和架构都是为应用服务,互相的渗透是趋势,也是必然。FPGA相对处理器的可编程领域,仍然属于小众(虽然人数也不少)。但是正像一则笑话所说:大腿虽然比根命根子粗,但决没有命子重要。这算开个玩       笑。FPGA的实现为以后的芯片化留下了许多可能和想象空间,从而在应用大量爆发时通过芯片化来大幅降低成本,这这也正是其他可编程器件所不能比拟的。
   FPGA和他那些小伙伴们

(二) 器件互联

系统架构确定,下一步就是FPGA与各组成器件之间互联的问题了。通常来说,CPU和FPGA的互联接口,主要取决两个要素:
(1)CPU所支持的接口。
(2)交互的业务。
通常来说,FPGA一般支持与CPU连接的数字接口,其常用的有EMIF,PCI,PCI-E,UPP,网口(MII/GMII/RGMII),DDR等接口。作为总线类接口,FPGA通常作为从设备与CPU连接,CPU作为主设备通过访问直接映射的地址对FPGA进行访问。根据是否有时钟同步,通常总线访问分为同步或异步的总线,根据CPU外部总线协议有所不同,但数据、地址、控制信号基本是总线访问类型中总线信号所不能省略的。CPU手册中会对信号定义和时序控制有着详细的说明,FPGA需要根据这些详细说明来实现相应的逻辑。同时CPU还可以对访问时序进行设置,比如最快时钟,甚至所需的最小建立时间和保持时间,这些一般CPU都可以进行设置,而这些具体参数,不仅影响FPGA的实现,也决定总线访问的速度和效率。对于同步总线,只需要根据输入时钟进行采样处理即可,但对于异步总线,则需要的对进入的控制信号进行同步化处理,通常处理方式是寄存两拍,去掉毛刺。

因此用于采样的时钟就与CPU所设置的总线参数相关,如采样时钟较低,等控制信号稳定后在译码后输出,一个总线操作周期的时间就会相对较长,其处理的效率也相对较低;假如采样时钟过快,则对关键路径又是一个挑战,因此合理设定采样频率,便于接口的移植并接口的效率是设计的关键点和平衡点。

对于总线型的访问来说,数据信号通常为三态信号,用于输入和输出。这种设计的目的是为了减少外部连线的数量。因为数据信号相对较多一般为8/16/32位数据总线。总线的访问的优势是直接映射到系统的地址区间,访问较为直观。但相对传输速率不高,通常在几十到100Mbps以下。这种原因的造成主要为以下因素(1)受制总线访问的间隔,总线操作周期等因素,总线访问间隔即两次访问之间总线空闲的时间,而总线操作周期为从发起到相应的时间。(2)不支持双向传输,并且FPGA需主动发起对CPU操作时,一般只有发起CPU的中断处理一种方式。这种总线型操作特点,使其可以用作系统的管理操作,例如FPGA内部寄存器配置,运行过程中所需参数配置,以及数据流量较小的信息交互等操作。这些操作数据量和所需带宽适中,可以应对普通的嵌入式系统的处理需求。

对于大数据流量的数据交互,一般采用专用的总线交互,其特点是,支持双向传输,总线传输速率较快,例如GMII/RGMII、Upp、专用LVDS接口,及SERDES接口。专用SERDES接口一般支持的有PCI-E,XAUI,SGMII,SATA,Interlaken接口等接口。GMII/RGMII,专用LVDS接口一般处理在1GbpS一下的业务形式,而PCI-E,根据其型号不同,支持几Gbps的传输速率。而XAUI可支持到10Gbps的传输速率,lnterlaken接口可支持到40Gbps的业务传输。
对于不同所需的业务形式及处理器的类型,则可选择相应的接口形式,来传输具体的业务。现今主流FPGA中都提供的各种接口的IP。选择FPGA与各型CPU互联接口,一般选择主流的应用交互方案,特殊的接口缺少支撑IP,导致开发、调试、维护和兼容性的成本都较大,同时注意系统的持续演进的需要,如只在本项目使用一次,而下一项目或开发阶段已摒弃此类接口,则需提前规划技术路线。毕竟一个稳定、高效的接口互联是一个项目成功的基础。
不是所有的嵌入式系统都需要“高大上”的接口形式,各类低速的稳定接口也同样在FPGA的接口互联中有着重要的角色,其中UART、SPI、I2C等连接形式也非常的常见。毕竟,一个优秀的设计不是“高大上”的堆积,而是对需求最小成本的满足。适合的才是最美的。

灵活性的陷阱,
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25616.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51218的双端口RAM。但如果是一个25632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25632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。“合抱之木,生于毫末;九层之台,起于垒土;千里之行,始于足下。” 老子《道德经》

对于新手来说,如何上手调试FPGA是关键的一步。
对于每一个新设计的FPGA板卡,也需要从零开始调试。
那么如何开始调试?
下面介绍一种简易的调试方法。
(1) 至少设定一个输入时钟 input sys_clk;
(2) 设定输出 output [N-1:0] led;
(3)设定32位计数器 reg [31:0] led_cnt;
(4) 时钟驱动计数器开始工作
always@(posedge sys_clk)
led_cnt <= led_cnt + 1
(5)输出led信号。
assign led = led_cnt[M:N];
程序完成。
(6)设定管教约束
如果为XILINX FPGA ,在UCF文件中 NET “sys_clk” LOC = 管脚名称
如果为ALTERA FPGA ,在QSF文件中,添加 set_location_assignment 管脚名称 -to sys_clk
其他管脚,可依次类推。
(7)编译,布局、布线,生成配置文件。
XILINX 生成BIT文件。
ALTERA 生成SOF文件
(8)连接JTAG,下载相应的配置文件。
(9)观察是否闪灯(肉眼可见)。
关于闪灯的解释如下:assign led = led_cnt[M:N]; led_cnt 为32bit的信号,需要几个闪灯,则根据输入时钟的频率和肉眼能够分辨的时间(100ms)。如输出时钟为25Mhz。则闪灯看见的位置能够分批到10hz。需分频2.5M= 32‘h2625A0,因此,则需要输出至少为led_cnt[21]位,才能看到闪灯。

虽然程序简单,但是,通过调试可以确认:

(1)首先可确定JTAG下载器的正确连接,能够正常下载下载文件。如不能,常见问题包括
(一)检查是否安装驱动。
(二)下载器是否由红灯变成黄灯/绿灯。如红灯亮一般情况下,JTAG的与电路板VCC没有供电。
(三)检查JTAG连接的线序。
(四)检查JTAG电路,检查原理图上TMS,TDI,TDO的上拉和下拉电阻是否与datasheet中一致。
通过以上四种方式,可排除绝大部分JTAG下载的错误。

(2)可以判断晶振是否起振,下载后无灯闪。

(一)首先,示波器查看晶振频率,观察晶振的输出,如无输出,查看晶振的电源和地信号,如电源正常,而晶振无反应,则更换晶振。
(二)如无示波器,也有替代的方法,通过嵌入式逻辑分析仪抓信号(任意信号)。如逻辑分析仪点击采样后无反应,则无时钟输入。
这是因为逻辑分析仪也需要时钟进行逻辑值的存储。

(3)如正常下载后闪灯,证明该FPGA板卡硬件设计上能够达到最低限度的FPGA调试状态。

最后,说明一下,为什么是闪灯而不是亮灯的程序,这是因为,首先闪灯可以判断外部晶振工作正常,并且由于LED等通常为上拉,也就是说逻辑值0表示灯亮,而也不排除某硬件工程师非要下拉。逻辑1表示亮。因此采用闪灯更加方便。

问题:为什么LED灯值为什么要上拉?

这是因为:LED上拉后,需要灯亮时电流由外部电源提供,而下拉,灯亮时电流由芯片的CMOS电路驱动。这种在设计中应避免。
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。
架构设计漫谈

(三)稳定压倒一切
敏捷开发宣言中,有一条定律是“可以工作的软件胜过面面俱到的文档”。如何定义可可以工作的,这就是需求确定后架构设计的首要问题。而大部分看这句话的同志更喜欢后半句,用于作为不写文档的借口。
FPGA的架构设计最首先可以确定就是外接接口,就像以前说的,稳定可靠的接口是成功的一半。接口的选择需要考虑几个问题。
1, 有无外部成熟IP。一般来说,ALTERA和XILINX都提供大量的接口IP,采用这些IP能够提升研发进度,但不同IP在不同FPGA上需要不同license,这个需要通过代理商来获得(中国国情,软件是不卖钱的)。
2, 自研接口IP,能否满足时间、进度、稳定性、及兼容性的要求。

案例1设计一个网络接口在逻辑设计上相对简单,比如MII接口等同于4bit数据线的25MHZ样,而RGMII可以使用双沿125Mhz的采样专用的双沿采样寄存器完成(使用寄存器原语)。但是如何支持与不同PHY连接一个兼容性问题(所谓设计挑PHY的问题,这个问题后面详述)。


案例2:CPU通过接口连接FPGA时,如果CPU此时软复位,则有管脚会上拉,此时如果该管脚连接FPGA接口是控制信号且控制信号高电平有效,则此时FPGA逻辑必然出错。同样FPGA在配置时,管教输出高阻,如此时CPU上电且板级电路管脚上拉,则同样会导致CPU采样出错(误操作的问题)。

不能只是考虑编写verilog代码仿真能对就行,接口设计应该站在系统的角度来看问题,问题不是孤立的,还是互相联系。
设计中,如果需要存储大量数据,就需要在外部设计外部存储器,这是因为FPGA内部RAM的数量是有限的。是采用SRAM、DDR2、DDR3。这就需要综合考虑存储数据大大小,因为SRAM的容量也有限,但是其接口简单,实现简单方便,且读取延时较小。DDR2、DDR3的容量较大,接口复杂,但FPGA内部有成熟IP可用,但是读取的延时较大,从发起读信号到读回数据一般在十几个时钟周期以上。如果对数据时延有要求,需要上一次存储数据作为下一次使用,且数据量不太大(几百K到几兆),则SRAM是较好的选择。而其他方面DDR2/DDR3是较好的选择。为什么不用SDRAM或者DDR。这是因为设计完毕,采购会告诉你,市场上这样老的芯片基本都停产了。

FPGA接口在设计选择的原则就是:能力够用,简单易用。特别值得一提的是高速SERDES接口,最好使用厂商给的参考设计,有硬核则不选择软核,测试稳定后,一定要专门的位置约束,避免后面添加的逻辑拥挤后影响到接口时序,也可避免接口设计人员与最终的逻辑设计人员扯皮(不添加过多逻辑,接口是好用的)。一个分析高速SERDES的示波器,采样频率至少20G甚至更高以上,动辄上百万,出现问题,不一定有硬件条件可调试。

回到开头,如何定义“可用的”设计,稳定我想是前提,而接口的稳定性更是前提的前提。这里稳定包括,满负荷边界测试,量产、环境试验等一系列稳定可靠。而在架构设计中,就选择成熟的接口,能有效的避免后续流程中的问题,从源头保证产品的质量。




温馨提示:明德扬2023推出了全新课程——逻辑设计基本功修炼课,降低学习FPGA门槛的同时,增加了学习的趣味性,并组织了考试赢积分活动

http://www.mdy-edu.com/ffkc/415.html

(点击→了解课程详情☝)



明德扬除了培训学习还有项目承接业务,擅长的项目主要包括的方向有以下几个方面:

1. MIPI视频拼接
     2. SLVS-EC转MIPI接口(IMX472 IMX492)
     3. PCIE采集系统
     4. 图像项目
     5. 高速多通道ADDA系统
     6. 基于FPGA板卡研发
     7. 多通道高灵敏电荷放大器
     8. 射频前端

需要了解相关信息可以联系:易老师13112063618(微信同号)


本文TAG:

Copyright © 2012-2023 版权所有:深圳明德扬科技教育有限公司