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FPGA研发之道(6)架构设计漫谈(一)流驱动和调用式

作者:时间:2014-10-23来源:网络收藏

  勿用讳言,现在国内开发还处于小作坊的开发阶段,一般都是三、四个人,七八台机器.小作坊如何也能做出大成果。这是每个工程师都要面临的问题。是面临的第一关。经常有这样的项目,需求分析,匆匆忙忙,号称一两个月开发完毕,实际上维护项目就花了一年半时间。主要包括几个问题,一,性能不满足需求。二,设计频繁变更。三,系统不稳定,调试问题不收敛。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/264349.htm

  磨刀不误砍柴工,设计的需求分析是整个设计第一步。如何将系统的功能需求,转换成FPGA的设计需求,是FPGA的首要问题。首先, 需要明确划分软件和硬件的边界。软件主要处理输入输出、界面显示、系统管理、设备维护。而FPGA则负责大数据流的处理。

  如果使用几百元FPGA实现了一个十几元单片机就能完成的功能,就算实现的非常完美,那么这是一个什么样的神设计?任何一个项目都要考虑成本,研发成本、物料成本、维护成本等等。FPGA的使用位置必定是其他器件难以企及的优势。

  因此对于一个FPGA架构设计,其首先需要考虑就是性能,如没有性能的需求,其他的处理器ARM就可能替代其功能。其次就是接口,用于处理器扩展其没有的接口,作为高速接口转换。最后,需要考虑就是可维护性,FPGA的调试是非常耗时的,一个大型的FPGA的编译时间在几小时甚至更高(通过嵌入式分析仪抓信号,每天工作8小时,只能分析两到三次)。而软件调试只需make,编译时间以秒来记(这个问题可以通过提升编译服务器性能改善而不能消失,本质上要考虑可测性设计)。如果不考虑维护性和可测性,调试成本和压力就非常之大。

  通常,FPGA的大部分架构设计可以采用数据流驱动的方式来实现,例子1,假设一个实现视频解压缩FPGA的设计,输入是无线接口,输出为显示屏。那么输入输出的接口基本就能确定。以数据流为驱动可以粗略划分,输入接口->解压缩模块->视频转换模块->显示接口。如需要视频缓冲,则确定是否需要连接外部存储器。那就需要确认在什么位置进行数据的缓冲。通过要支持显示的画面的质量,就能确认最大码流,同样可以计算视频解压模块和转换模块的计算能力,从而导出所需的内部总线宽度,系统频率,以及子模块个数等等。例子2,某支持通过有线电视网上网电视IP网关,同样也是输入的普通IP网络,输出为有线调试网的调试解调器。将IP报文等长填充后,在固定时隙内送入有线电视网中,同样也是基于数据流驱动的方式。

  数据流驱动式架构,可以作为FPGA设计中一个最重要的架构。通常来说应用于IP领域、存储领域、数字处理领域等较大型FPGA设计都是数据流驱动式架构,主要包括输入接口单元,主处理单元,输出接口单元。还可能包括,辅助处理单元、外部存储单元。这些单元之间一般采用流水式处理,即处理完毕后,数据打包发完下一级处理。其中输入输出可能有多个,此时还需要架构内部实现数据的交换。

  另一种较为常用的架构方式为调用式架构,即一般FPGA通过标准接口如PCI、PCI-E,CPCI,PCI-X,EMIF等等。各种接口,FPGA内部实现某一加速单元,如视频加速,数据处理,格式转换等操作。这种结构基本基本围绕FPGA接口、加速单元展开,属于数据的反馈类型,即处理完数据又反馈回接口模块。

  其他虽然各型各样,如,如各型接口,但本质上其都是为上述架构服务的,或做配置管理替代外部CPU,或在数据流中间传递中间参数。或在内部实现CPU+协处理器的架构,因此说,无他变化。

  孙子兵法云:“兵无常势,水无常形”。但是对于一种设计技术来说,没有一种固定演进的架构和设计,那么项目的整个设计层次总是推到重来,从本质上说,就是一种低水平重复。如果总结规律,提炼共性,才能在提升设计层次,在小作坊中取得大成果。

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关键词: FPGA 架构设计 SOPC

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