FPGA研發之道(4)靈活性的陷阱

　　如果說用一個詞來描述FPGA的特性，靈活性肯定名列前茅。

　　FPGA的靈活性在于：

　　(一)I/O的靈活性，其可以通過其I/O組成各種接口與各種器件連接，并且支持不同的電氣特性。

　　(二)內部存儲器靈活性，可以通過IP生成工具生成各種深度和寬度的RAM或者FIFO等。

　　(三)邏輯的靈活性，內部邏輯通可生成的各種類型IP。

　　對于I/O接口來說，FPGA的I/O可以支持不同類型的電平和驅動能力，各I/O未定義之前其地位平等，例如一個數據信號可將其約束在任意引腳，只要其電平符合連接的規范。因此硬件工程師基于這種認識，在PCB布線時，基于布線需要，便調整其布線的順序，例如互換兩個信號的位置。通常情況上，這種調整是沒有任何問題的。但是隨著FPGA的接口IP核硬核化的趨勢，逐漸由很多的接口IP不能支持這種調整。例如對于較早的SDRAM或者DDRSDRAM來說，在xilinx和ALTERA的FPGA上，其數據、地址信號等都是可調的。但是隨著DDR2，DDR3接口的出現，其IP接口，只能支持在某個BANK并且例化結束后直接生成相應的約束文件，而這些的改動將會導致布局布線的錯誤。另一些例子則是一些高速SERDES的組合。例如對于XAUI接口來說，其硬核IP(ALTERA)上就不支持4組SERDES的順序互換，這將會影響其硬核FCS的編碼。如果板級連接上與PHY的順序與FPGA例化IP的約束不一致，則其硬核PCS就不能布局布線通過(軟核FCS可以支持調整)。這種靈活性認識導致硬件板級互聯的問題可謂屢見不鮮，特別是系統復雜度的上升，板級連線的增加，將會導致設計人員疏忽從而掉入“靈活性的陷阱”。解決此類問題的方法。包括(1)預評估，在設計之前就在FPGA上評估所需的接口的邏輯占用、約束位置、時鐘需求等等，預先評估給系統設計提供相應的數據支撐和設計參考。(2)溝通，對于設計的變更，要進行有效溝通，不能使鐵路警察，各管一段。(3)設計評審，雖然老套，但每個環節上的評審能有效減少掉入類似陷阱的幾率。

　　對于內部存儲資源，大多數FPGA工程師就是拿來就用的狀態。而缺少整體內部memory規劃，一般來說，對于單端口、雙端口、假雙端口，各型芯片手冊中都有明確的定義，例如xilinx的SPATAN3系列中最小RAM單元為18K。一個RAM例化最小單位就是18K。而新的器件中最小單位一般為9K。也就是說雖然工程師例化的較小的RAM，例如256*16.只有4K，但是其也占用一個最小單元，根據器件的不同而不同。而亂用雙端口導致RAM資源的過分占用則是更常見的設計問題。FPGA內部對于單個RAM能夠支持的真雙端口是有限制的。舉例說明，對于ALTERA的9K的存儲單元一般支持512*18的雙端口RAM。但如果是一個256*32的雙端口則需要占用2個9K的存儲RAM。也就是說，RAM器件的能力是有限的，這取決于RAM的外部互聯線是有限的，以剛才說的256*32的雙端口RAM來說，其需要數據線就是64根(雙端口)，對于單個RAM的連線資源來說，這是FPGA內部邏輯資源難以承受的。所以根據器件特定，合理規劃內部memory資源，才能在最大限度的達到高效的利用。

　　FPGA內部可以例化各型IP，基于IP的復用的可以大大增加研發的進度。但是各種IP的互聯之間則需對IP的特性了解清楚，明確IP是否為業務所需的IP。有的IP和工程所需可能只是名稱一致，但其功能卻不是你想要的。例如網口IP在MII連接方式下，是用于FPGA連接PHY的操作。如果FPGA與CPU通過MII連接，現有的IP則難以滿足需求。這是因為MII連接PHY其所有的時鐘都是PHY提供的。CPU的設計也是與PHY連接，其時鐘也有PHY提供。而如果二者連接，就變成都等著對方提供時鐘，則就變成沒有時鐘。這種調試問題相對來說容易解決，不過在系統規劃是，就需要對整個IP是否能夠滿足系統的設計要求，有著明確的判斷。

　　靈活性是FPGA最大的特性，在設計中避開那些靈活性的陷阱，才能從FPGA整體上提升設計能力，而不是做只會寫Verilog的碼農。畢竟FPGA設計不是軟件設計，其最終要成為變成硬件承載的，每一行語句都要考慮其綜合后的電路，才能真正領會FPGA設計的精髓。