現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)設計

可讀性好的設計在調試、測試和維護上將節省大量的時(shí)間,已經(jīng)經(jīng)過(guò)驗證的電路很容易重用,節省開(kāi)發(fā)時(shí)間。

完備的開(kāi)發(fā)文檔

為了保證FPGA設計的可重復性,設計文檔除了詳盡的系統設計說(shuō)明之外,還必須包括一些其他的必要信息,比如軟件開(kāi)發(fā)系統的版本號、軟件的各個(gè)選項及參數設置。另外,各種操作和修改的過(guò)程都應該以文檔的方式記錄下來(lái)。如果不這樣做,最終的實(shí)現就會(huì )因人而異、因開(kāi)發(fā)系統而異,整個(gè)系統的性能也變得不穩定,甚至無(wú)法評估。

FPGA設計的基本原則

在EDACN的FPGA技術(shù)論壇上,一些經(jīng)驗豐富的設計人員總結了FPGA設計中幾條非常重要的基本原則,現列舉如下,供大家參考借鑒。

硬件資源與處理能力的折衷

在設計中,可以通過(guò)并行處理來(lái)提高處理能力,而并行的硬件將消耗更多的FPGA內部資源;也可以通過(guò)模塊復用來(lái)降低硬件資源的消耗,帶來(lái)的結果就是系統運行速度的降低。在具體設計中,應該根據系統性能指標的要求,在資源消耗和處理能力之間取得合理的折衷,在保證系統功能和性能的同時(shí)降低資源消耗,從而降低功耗和成本。

硬件思想

應該明確FPGA邏輯設計所采用的硬件描述語(yǔ)言與軟件語(yǔ)言（如C,C++等）是有本質(zhì)區別的。在使用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行FPGA設計時(shí),不應該片面追求代碼的整潔,簡(jiǎn)短。而正確的編碼方法是：首先要對所需實(shí)現的硬件電路的結構與連接有十分清晰的理解和設想,然后再用適當的HDL語(yǔ)句表達出來(lái)即可。

系統原則

在FPGA設計中,應該對設計的全局在宏觀(guān)上進(jìn)行合理的安排,比如時(shí)鐘域、模塊復用、約束、面積、速度等問(wèn)題。這些系統上的考慮不僅關(guān)系到是否能夠最大程度地發(fā)揮項目成員的協(xié)同設計能力,而且直接決定著(zhù)設計的綜合、實(shí)現效果和相關(guān)的操作時(shí)間。

模塊化設計是系統原則的一個(gè)很好的體現,它不僅僅是一種設計工具,它更是一種設計思路、設計方法,它是自頂向下、模塊劃分、分工協(xié)作設計思路的集中體現,是當代大型復雜系統的推薦設計方法,目前很多的EDA廠(chǎng)商都提高了模塊化設計工具。

同步設計原則

目前的商用FPGA都是面向同步電路設計而優(yōu)化的,其上實(shí)現異步電路并不能充分體現出異步電路應有的優(yōu)勢。而同步時(shí)序電路可以很好地避免毛刺,因此,提倡在設計中全部使用同步邏輯電路。

FPGA設計新發(fā)展

隨著(zhù)FPGA的門(mén)數、速度、結構復雜度、各種IP核供應等方面的不斷進(jìn)步、數字系統設計規模超越幾百萬(wàn)門(mén),更多的設計者將混合使用系統級和平臺級的FPGA器件及其內部嵌入的處理器、存儲器或數字信號處理器。FPGA設計的要求也必須作出相應的變化,從而使設計者能夠使用FPGA器件實(shí)現更復雜、更高速的系統。

在通常的FPGA設計中,首先是整個(gè)系統進(jìn)行架構,然后再把硬件部分設計交給硬件工程師進(jìn)行寄存器轉移級（RTL）設計,軟件部分設計交給軟件工程師采用C++語(yǔ)言等進(jìn)行編程。但隨著(zhù)設計規模的擴大,芯片復雜度及性能需求的提高,使用傳統方法將面臨很多困難。因此,FPGA模塊化設計和系統級設計概念正在不斷得到發(fā)展和改進(jìn)。

分層次的模塊化設計方法

分層次的、基于模塊的設計方法將系統分為多個(gè)層次,采用模塊作為基本設計單元,實(shí)現系統的開(kāi)發(fā)和設計。在這種設計流程中,設計者面對的是各種不同層次的功能模塊,這樣就為復雜的幾百萬(wàn)門(mén)級系統的設計和處理提供了更高的抽象級別以及更靈活的實(shí)現方式。

分層次的模塊化設計方法具有很多優(yōu)點(diǎn)。滿(mǎn)足了縮短市場(chǎng)響應時(shí)間,同時(shí)降低成本的需求。首先,基于模塊的設計方法在設計實(shí)現中引入了最大程度的并行性,使頂層設計和單個(gè)模塊設計能同時(shí)進(jìn)行;其次,這種方法使得設計者更容易進(jìn)行設計復用,包括設計模塊和IP核的復用。

電子系統級（ESL）設計與驗證方法學(xué)

ESL設計是能夠讓電子系統設計工程師以緊密耦合方式開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和驗證復雜系統架構和嵌入式軟件的一套方法學(xué),它還提供寄存器傳輸級實(shí)現的驗證基礎。

ESL的目標是系統級模型的協(xié)同軟硬件設計。在過(guò)去幾年中,ESL設計被認為是一個(gè)很難達到的目標。然而目前,業(yè)界在ESL設計上已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。隨著(zhù)SystemC已提交給IEEE P1666工作組,SystemC如今已被接受并成為廣泛使用的系統級建模標準。目前已有許多世界領(lǐng)先的系統和半導體公司采用ESL設計,為產(chǎn)品提供必需的先進(jìn)功能和高性能。電路規模越大、復雜度越高,ESL設計方法和工具所能顯示的優(yōu)勢就越高