從硬件角度討論FPGA開發框架

　　FPGA采用了邏輯單元陣列概念，內部包括可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內部連線三個部分。每一塊FPGA芯片都是由有限多個帶有可編程連接的預定義源組成來實現一種可重構數字電路。

　　長久以來新型FPGA的功能和性能已經為它們贏得系統中的核心位置，成為許多產品的主要數據處理引擎。

　　鑒于FPGA在如此多應用中的重要地位，采取正式且注重方法的開發流程來處理FPGA設計比以往更加重要。該流程旨在避免開發周期后期因發現設計缺陷而不得不進行費時費錢的設計修改，而且該缺陷還可能對項目進度計劃、成本和質量造成災難性影響。

　　本文所介紹的的框架覆蓋從系統架構考量到FPGA開發與測試規劃等各個環節。我們從FPGA硬件的角度重點詳細介紹該框架，通過介紹希望其他工程團隊能夠發現該框架在復雜的FPGA設計項目里面的優點。

　　該框架是一種在FPGA中設計硬件的自上而下的迭代設計方法。首先規劃從系統架構層面出發決策FPGA功能。隨后我們根據FPGA器件的已知功能和性能逐步優化FPGA設計的特性。

　　另外，大型FPGA設計的實現需要制定完備的開發、仿真和驗證規劃。該框架的作用就是幫助我們制定這些規劃。簡而言之，該框架可歸納為圖1所示的流程圖。本文的討論將集中在規劃和技術文檔部分(頂部)。

　　系統架構

　　就本討論范圍而言，系統架構指在系統軟件和硬件之間的功能劃分。尤其，重點是將硬件功能細分到FPGA以及其它微芯片組件上(假設已經明確產品層面需求)，例如市場營銷或產品定義部門可能已經參與進來并明確產品需求。

　　在系統架構階段，思路是如何明確地讓這些產品需求在真實產品中得以實現。就FPGA來說，主要的決策圍繞著應將哪些特性和功能在FPGA中實現，以及進一步，哪些特性和功能適合在FPGA中實現。

　　通過提前定義FPGA的高級要求，就能避免開發流程已接近尾聲時進行成本不菲的設計及需求修改。在設計早期階段明確系統架構有助于指導用戶做出對開發時間和產品成本至關重要的多項重大決策。

　　在這個層面上探討，只需要一般性地概略介紹FPGA特性。詳細特性和實現需求將在FPGA需求定義過程的后續階段進行定義。本次探討的參與者應包括熟悉系統級要求的、了解系統級架構設計的，以及熟悉FPGA特性與功能的等不同人員。

　　具體就FPGA而言，需要回答十大問題：

　　1.要在FPGA中實現的特性列表是什么樣的?

　　2.在FPGA中實現特性與使用非FPGA組件實現特性相比，需在技術上做怎樣的權衡取舍?

　　3.在FPGA中實現與使用非FPGA組件實現相比，設計工作量/成本分別如何?

　　4.需要什么樣的定制特性或處理?

　　5. FPGA的靈活性對功能有什么好處?

　　6.您應該考慮的未來風險緩解措施是什么?

　　7.能否把多個非FPGA組件的特性集中到FPGA中?

　　8.根據準備實現的設計特性，如何選擇FPGA器件?

　　9.特性是否能在FPGA中實現?

　　10.需要什么樣的非FPGA器件，如何讓這些非FPGA器件與FPGA接口相連?

　　FPGA架構

　　FPGA架構屬于FPGA器件上物理層的微架構級和芯片級數據流設計。您的團隊應與系統級架構同步設計該架構，以確定器件尺寸、選擇器件和可行性。

　　定義FPGA架構的目的，是確保系統架構需求是準確、現實、切實可行的設計要求，能夠在FPGA中實現。

　　圖1 - FPGA開發框架