超越SoC的設(shè)計創(chuàng)新

超越SoC的設(shè)計創(chuàng)新

大多數(shù)軟、硬件工程師都很熟悉 FPGA，這點應(yīng)該勿庸置疑。這種熟悉不見得是實質(zhì)性的熟悉，而是從概念上比較了解，也就是說 FPGA 功能的快速發(fā)展和成本的不斷下降是大家都不容忽略的優(yōu)勢。同時，他們也認識到這種可編程器件顯然能方便地作為各種數(shù)字電路以及邏輯處理的高靈活度、低成本的載體。

　　基本說來，在設(shè)計方案中發(fā)揮 FPGA 的功能就是簡單地映射出所需的邏輯，然后將其下載至適當容量大小的器件中。這有些像大型處理器系統(tǒng)主體設(shè)計的輔助支持工作，而且在該層面上也確實發(fā)揮著自身的支持性作用。

　　近期一些應(yīng)用開始充分利用 FPGA 的高吞吐量和并行計算功能進行數(shù)據(jù)處理工作，不過這種工作仍屬于發(fā)揮支持性作用，而不是主要作用。例如，我們往往在設(shè)計工作后期才決定采用基于 FPGA 的 DSP 模塊，而且是將其作為主設(shè)計規(guī)劃與工藝流程的附屬部分來開發(fā)。

　　隨著 FPGA 功能獲得長足發(fā)展，我們已開始采用能夠在可編程空間內(nèi)實施處理器、存儲器、高速數(shù)據(jù)處理以及外設(shè)等核心功能模塊的 SoC 設(shè)計方案。隨著FPGA器件各代工藝技術(shù)從 65 納米向先進的 40 納米方向發(fā)展，而且門的容量達到數(shù)百萬個，F(xiàn)PGA 目前已開始走向發(fā)揮主導(dǎo)作用的前臺，能夠支持真正的大型設(shè)計，達到專業(yè)化 ASIC 器件的實施水平。

　　從某種程度上說，這要歸功于 FPGA 廠商推動的技術(shù)發(fā)展，拉近了 FPGA 與 ASIC 器件之間的性能與效率差距。對于大多數(shù)投入中低規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)品而言，基于 FPGA 的方案顯然比 ASIC 更實際，這主要是因為后者的 NRE 成本已然非常高昂，而且還在不斷升高。不過，目前高產(chǎn)量產(chǎn)品仍然主要選用 ASIC 器件。

　　發(fā)揮潛力的障礙

　　不過，如果我們簡單地認為 FPGA 就是 ASIC 設(shè)計方案的低成本與多功能備選方案的話，那么我們就會忽視 FPGA 可提供的巨大潛力。FPGA 的更高級潛力集中體現(xiàn)在 FPGA 從根本上與 ASIC 存在的技術(shù)差異性，即 FPGA 的關(guān)鍵技術(shù)組件具有強大的可再編程能力。要充分發(fā)揮其這一潛力需要采用不同的設(shè)計理念和設(shè)計方法，這就遠遠超出了傳統(tǒng) SoC 的設(shè)計思路和 ASIC 的原有方案。

　　FPGA 型產(chǎn)品設(shè)計的傳統(tǒng)開發(fā)進程反映了傳統(tǒng)的設(shè)計理念，即將設(shè)計方案的各個部分(軟件、硬件及嵌入式硬件)作為彼此獨立、不相聯(lián)系的任務(wù)。這就是說，傳統(tǒng)方案與 ASIC 開發(fā)工作差不多，軟硬件分組等重大設(shè)計決策都是在設(shè)計周期的早期階段做出的(并在早期階段就固定了)。

　　其結(jié)果是，物理硬件(FPGA 器件與外設(shè)硬件)以及可編程硬件元素在進行有意義的軟件開發(fā)之前就已經(jīng)鎖定了。這些初期決策確定了后續(xù)開發(fā)工作的參數(shù)和局限性，因而導(dǎo)致越到開發(fā)后期設(shè)計選擇的局限性就越大。通過修改軟硬件分組、將嵌入式處理器改為硬連接處理器抑或是選擇不同的 FPGA 器件類型等來進行細節(jié)調(diào)整設(shè)計方案的理念是不存在的。

　　在上述基本層面進行任何設(shè)計方案調(diào)整都必須對包括硬件、可編程硬件和軟件在內(nèi)的所有設(shè)計領(lǐng)域進行大量重新設(shè)計，這對設(shè)計工作造成的沖擊是極其巨大的，因此我們必須不惜一切代價避免這種設(shè)計巨變。簡而言之，只能在可編程硬件的限制框架內(nèi)創(chuàng)建軟件，而可編程硬件則又相應(yīng)局限于固定的物理硬件。

　　在當今設(shè)計中，軟件定義著產(chǎn)品的獨特優(yōu)勢與競爭元素(功能性與最終用戶體驗)，因此傳統(tǒng)的 SoC 設(shè)計方案會人為地制造軟件開發(fā)的局限性，影響設(shè)計最具價值的成分。對基于 FPGA 的設(shè)計而言，產(chǎn)品最核心的資產(chǎn)當屬應(yīng)用軟件和嵌入式 FPGA 硬件所決定的“軟”屬性。

智能層

　　如果對 FPGA 平臺采用傳統(tǒng)的 SoC 設(shè)計方案，就會面臨 ASIC 方法的大多數(shù)局限性，但是 FPGA 自身的巨大靈活性則能帶來更多可能。特別是如果 FPGA 開發(fā)進程與軟硬件開發(fā)進程密切相關(guān)、共享相同的設(shè)計環(huán)境和設(shè)計數(shù)據(jù)池的話，就更能發(fā)揮靈活性優(yōu)勢。

　　例如，如果 FPGA 的架構(gòu)能夠采用高靈活性接口層，有效地將設(shè)計的“軟”元素與主機硬件相隔離，那么就能充分發(fā)揮各種可能性，可以盡可能地降低應(yīng)用軟件和可編程硬件設(shè)計變動對周圍硬件系統(tǒng)所造成的影響。

　　這是發(fā)揮最新高容量 FPGA 器件功能的進一步合理舉措，可讓可編程元素進一步成為設(shè)計方案的核心，而不僅是傳統(tǒng) SoC 系統(tǒng)的簡單載體。可編程元素實際上可以發(fā)揮更大的作用。

　　此外，F(xiàn)PGA 利用這種方案還能發(fā)揮外設(shè)、I/O 協(xié)處理器以及接口連接的作用。除了構(gòu)成傳統(tǒng) SoC 系統(tǒng)的高級功能元素之外，F(xiàn)PGA 還可作為設(shè)計方案中軟硬元素之間的連接機制。處理器、存儲器或 DSP 可作為軟內(nèi)核或物理硬件實施，甚至也可同時兼顧二者實施，同時 FPGA 提供的可再編程層能夠?qū)⑵渎?lián)系在一起。

　　這些更為豐富的 FPGA 元素通?？勺鳛樘幚砥饕约按鎯ζ骱屯庠O(shè)等硬件之間的接口，可將不同功能器件之間的接口實現(xiàn)“標準化”，這樣設(shè)計人員就不必煩心考慮 I/O 配置和總線系統(tǒng)等低級而復(fù)雜的硬件問題了。事實上，這些層可提取外設(shè)或處理器接口，從而能夠在不影響周圍硬件的情況下簡化對功能器件的更改。

　　在實踐中，基于 Wishbone 總線架構(gòu)之上的 FPGA 內(nèi)核可同時支持處理器和外設(shè)。內(nèi)核能夠高效地將器件“打包”，從而提取處理器接口，使其在架構(gòu)上相當于其他處理器，而且能確保在不影響與其相連的外設(shè)的情況下對處理器方便地進行修改。除了基于 FPGA 的“軟”器件之外，還可將上述理念進一步擴展適用于混合型硬核處理器、外部處理器以及片外分立式外設(shè)以及存儲器器件等。

　　高級設(shè)計

　　在不必考慮大多數(shù)低級硬件架構(gòu)問題的情況下，我們可以有機會采用高級 FPGA 設(shè)計捕獲系統(tǒng)，使設(shè)計人員只需簡單地將邏輯功能模塊連接在一起。符合 Wishbone 標準的元件(從庫中拉出)可在原理圖上連在一起，甚至也可在更高級的設(shè)計抽象上組合，通過簡單的示意圖(反映功能或器件)組成類似于流程圖的配置。

　　請注意，這種高級設(shè)計方案各加能夠充分發(fā)揮 FPGA 的可再編程功能。任何添加層和接口都可自動與功能設(shè)計本身一起包含在 FPGA 結(jié)構(gòu)中。與固定芯片 SoC 產(chǎn)品設(shè)計所使用的傳統(tǒng)過程不同的是， FPGA 的硬件設(shè)計可以動態(tài)開發(fā)，而不會對設(shè)計方案的其他組成部分構(gòu)成嚴重影響。

此外，這種方案從軟件開發(fā)人員的角度來說也非常重要。以編寫編寫存取或控制外設(shè)器件的軟件為例，我們需要全面了解器件在底層硬件級上的工作情況，其中包括需要哪些器件寄存器、采用哪些器件專用的命令、使用哪些通信協(xié)議，以及如何處理中斷等。

　　為了滿足這一需求，可以在層棧管理器中標準化的硬件接口層中添加驅(qū)動層與應(yīng)用層的驅(qū)動軟件。與 Wishbone包裝內(nèi)核相似，也可在構(gòu)建時間時將這些驅(qū)動層下載到 FPGA中，為您解決低級硬件接口連接的復(fù)雜性問題。

　　相反，許多硬件開發(fā)人員也擁有充足的編程知識完成應(yīng)用軟件開發(fā)，但是他們受阻于操作系統(tǒng)、通信協(xié)議棧、用戶界面框架等方面的知識。上述層與驅(qū)動系統(tǒng)移除了這些障礙，它將軟硬件設(shè)計聯(lián)系了起來，從而使所有工程師都能夠在現(xiàn)有的技巧基礎(chǔ)上開發(fā)出更高級的產(chǎn)品。

　　可編程單元

　　此外，F(xiàn)PGA 的高靈活技術(shù)也是可通過將軟件程序與算法轉(zhuǎn)移到硬件中來最大限度發(fā)揮其加速作用的理想環(huán)境。FPGA 開發(fā)環(huán)境中的 C 到硬件轉(zhuǎn)換可以是一個動態(tài)過程，而不是 ASIC SoC 備選方案那樣的固定預(yù)設(shè)過程。軟件設(shè)計和 FPGA 設(shè)計共存于同一環(huán)境時，選定的軟件功能可在 FPGA 硬件中“復(fù)制”為相應(yīng)的協(xié)處理器。可以隨時啟用備用選項來判斷性能的改善情況。

　　除了將并行處理等功能帶到軟設(shè)計區(qū)域的明顯優(yōu)勢之外，還可充分發(fā)揮 FPGA 物理器件引腳的固有可編程特性優(yōu)勢來降低電路板布線復(fù)雜性，并簡化外部連接。

　　例如，通常情況下，在實際布局中物理器件的放置會使 FPGA 與外設(shè)之間的連接極為復(fù)雜，這在一定程度上與 BGA 封裝的高密度有關(guān)，我們可通過 FPGA的本身解決這個問題。這里可采用 FPGA 的引腳的重新分配與內(nèi)部布線來解決電路板布線的技術(shù)難題，還可以降低電路板空間占用與板子的層數(shù)要求。這一理念同樣依賴于在平臺層面上互連的軟件-硬件-FPGA 開發(fā)環(huán)境，只有這樣才能支持硬件 FPGA 域之間的智能與自動引腳交換。

　　這里我們確實需要從根本上解決超越傳統(tǒng) SoC 設(shè)計方法限制的問題。要想實現(xiàn)本文所描述的系統(tǒng)，就需要可將所有設(shè)計進程集中在同一領(lǐng)域的高級設(shè)計系統(tǒng)。通過統(tǒng)一設(shè)計應(yīng)用，采用整體設(shè)計的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，就可消除嵌入式軟件、可編程硬件以及物理硬件等不同設(shè)計領(lǐng)域之間的分割。

　　用來實施的單純 SoC 設(shè)計方法與傳統(tǒng)系統(tǒng)都有極大的局限性，不能充分發(fā)揮 FPGA 的潛力。系統(tǒng)設(shè)計必須超越當前這種不靈活的分離式設(shè)計方法，讓 FPGA(實際上是多個 FPGA)成為整體設(shè)計的可再編程中央平臺。

　　只有在統(tǒng)一的產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境中采用這種方法，設(shè)計應(yīng)用軟件才能提高可移植性，實現(xiàn)軟硬件的真正協(xié)調(diào)設(shè)計，而且在了解相關(guān)要求后在設(shè)計周期后期決定重要硬件。這樣創(chuàng)建出來的具有高度靈活性的動態(tài)設(shè)計環(huán)境，可以幫助更多工程師創(chuàng)建出極具競爭力的特色創(chuàng)新電子產(chǎn)品。