如何建立適合團隊的FPGA原型驗證系統(tǒng)平臺與技術？

FPGA原型驗證在數(shù)字SoC系統(tǒng)項目當中已經(jīng)非常普遍且非常重要，但對于一個SoC的項目而言，選擇合適的FPGA原型驗證系統(tǒng)顯的格外重要，尤其對于首次使用基于FPGA的原型設計驗證的工程師而言，從FPGA原型驗證技術目標的細節(jié)理解到掌握如何使用它來構建芯片的原型，是一個質的飛躍，做到這一點，并非易事。下面我們來看一下如何Step by Step建立適合團隊的FPGA原型驗證系統(tǒng)平臺與技術。

FPGA的規(guī)模到底有多大？

芯片設計領域通常講到規(guī)模，我們第一反應一定是邏輯規(guī)模，當然對于芯片設計驗證工程師而言，邏輯門數(shù)是規(guī)模的第一反應，但實際上FPGA是構建SoC原型系統(tǒng)的最佳選擇，它不僅包含大量的組合邏輯和時序邏輯資源，還包含其他資源，比如各種類型的RAM存儲資源和DSP算術資源，以及時鐘資源、特殊的IO資源和高速互連接口與器件，這些都進一步擴大了FPGA技術用于芯片原型設計與驗證的范圍。

邏輯資源：FPGA在高度可配置的單元中實現(xiàn)邏輯，將查找表與可選輸出FF、進位邏輯和其他特殊元素相結合，以有效映射邏輯。

存儲資源：小容量內存可以用查找表配置，大容量的專用內存塊會分布在整個設備中，可以用作單端口或雙端口R/W同步內存塊。這些存儲器塊可以連接在一起并形成更深或更寬的存儲器塊，并且可以使用附加的內置邏輯來實現(xiàn)專用存儲器，例如單時鐘或雙時鐘FIFO。這些通常是從供應商提供的專用內存IP庫中配置的。

DSP資源：FPGA在整個設備中分布專用DSP資源（包括MAC等）也是常見的，（乘法/累加）塊、移位、幅度比較器和模式檢測等。此外，DSP塊具有級聯(lián)功能，允許它們連接在一起形成更廣泛的數(shù)學函數(shù)，如DSP濾波器，而不使用邏輯FPGA資源。

IO接口資源：FPGA的IO可以多種方式配置，以符合各種標準、驅動強度、差分對等。

互連資源：FPGA中最重要的資源可能是各種塊之間互連的手段。除了一些特殊緩沖區(qū)之外，這些資源通常不能由用戶明確控制，而是由布局布線工具和一些高級綜合工具隱含地使用，以便在FPGA上實現(xiàn)設計的連接（Chip2Chip）。

時鐘資源：專用于實現(xiàn)設計的時鐘。這些專用的可編程時鐘發(fā)生器，包括PLL、全局和區(qū)域時鐘緩沖器以及低偏斜分布網(wǎng)絡。

特殊用途的模塊：一些設備具有實現(xiàn)特定功能的硬核模塊，如以太網(wǎng)MAC、PCI Express接口、選定的CPU核心或高速串行收發(fā)器（例如SERDES）。這些特殊模塊有助于實現(xiàn)行業(yè)標準的外圍接口。

建議：鑒于專用資源的專用性，SoC邏輯可能不會透明地映射到這些資源中。為了使用專用資源，一些SoC設計塊可能需要與FPGA等效功能的模塊替換。當進行此類設計更改時，應理解新塊的功能行為可能與原始塊不同。

關于FPGA資源的估算

FPGA資源豐富，我們通常希望很快地將這些資源應用到SoC相關的功能設計中，但實際上能否快速的將SoC代碼快速移植到FPGA，一方面取決于工程師的經(jīng)驗，另一方面真的取決于SoC的架構設計和代碼質量，一般而言組合邏輯路徑較短的設計更容易porting到FPGA原型驗證，也就是說善于運用寄存器的設計更容易porting，另外合理的流水線設計也將更容易porting。通常需要很多步驟的從SoC代碼移植到FPGA代碼，才能順利的porting完成。

在資源換算上，通常我們常說ASIC門數(shù)目，而實際上ASIC的門數(shù)和FPGA的門數(shù)換算并沒有一個嚴格的計算公式，大多數(shù)都是不嚴謹?shù)墓浪?，作為一名嚴苛的工程師，很容易進入到公式計算的思維定式，但實際上，很難有嚴苛的公式，大多是只是經(jīng)驗之談，比如一個LUT大概換算多少邏輯門，一個FF大概換算多少門，而在ASIC芯片設計中，所謂的門更是通過綜合工具綜合結果而來。另外，在FPGA綜合工具中，即使代碼量差不多，綜合出來的結果也會千差萬別，說白了，還是取決于代碼質量。建議首先根據(jù)特殊資源確定設計是否適合FPGA原型設計與驗證，一旦設計代碼可綜合，就通過綜合工具運行相關設計代碼，以獲得準確的FPGA資源使用估計。如果設計是可綜合的，建議使用快速綜合評估，以表明預期的資源利用率。

一旦給定設計的FPGA資源利用水平可用，我們就需要為設計的成熟度建立利用水平目標。一般來說，F(xiàn)PGA利用率越高，處理設計（合成、放置和布線等）所需的時間就越長，而且由于布線延遲更大，系統(tǒng)時鐘運行速度也會越慢。此外，在原型項目期間，設計可能會發(fā)生變化，未來可能會添加一些診斷邏輯，因此系統(tǒng)中FPGA的數(shù)量應保守考慮。

基于FPGA的原型設計的一個關鍵目標是降低SoC項目的整體風險，因此，將最后一點點的邏輯都要壓縮到FPGA中可能不是風險最低的方法。除了不留任何擴展空間外，當設備太滿時，F(xiàn)PGA布局布線結果也會降低，運行時間也會大大增加。指導方針可能是保持低于75%的利用率，這對于生產(chǎn)FPGA設計和原型項目來說是典型的，60%甚至50%都是合理的。這將縮短設計迭代時間，更容易達到目標性能。

代碼設計：好的設計代碼風格比其他設計更有效地映射到FPGA資源中，因為它們與FPGA架構和資源的匹配程度。如上所述，由于FPGA技術含大量觸發(fā)器，具有較高FF與組合邏輯比的設計可能比具有較低比率的設計實現(xiàn)更高的有效門，簡單來講就是組合邏輯路徑不要太長。

時鐘資源：雖然有多個時鐘域，但FPGA的PLL資源、時鐘多路復用器資源和片上的布線資源都是有限的。對于多時鐘設計，需要更仔細地查看所選FPGA中的可用時鐘資源和時鐘域限制。

布線資源：FPGA的可用邏輯可能受到布線資源可用性的限制，布線資源的可用性可能因設計而異?！案呙芏冗B接”設計可能會耗盡某些區(qū)域的FPGA布線資源，并限制對該區(qū)域FPGA資源的訪問，從而可能導致這些資源無法使用。此外，與“輕度擁塞”設計相比，此類設計可能以較低的時鐘速率運行。

IO資源：在現(xiàn)代SoC設計中，多FPGA分區(qū)設計中的FPGA在耗盡邏輯或內存之前耗盡引腳是非常常見的。平衡FPGA之間資源的分區(qū)可能仍然需要使用多路復用來路由FPGA之間的所有信號。

審核編輯：劉清