FPGA研发牛人心得总结

FPGA研发牛人心得总结

FPGA研发之道

FPGA是个什么玩意？

首先来说：
FPGA是一种器件。
其英文名 field programmable  gate array 。
很长，但不通俗。
通俗来说，是一种功能强大似乎无所不能的器件。
通常用于通信、网络、图像处理、工业控制等不同领域的器件。
就像ARM、DSP等嵌入式器件一样，成为无数码农码工们情感倾泻而出的代码真正获得生命的地方。
只不过，一样的编程，却是不一样的思想。
嵌入式软件人员看到的是C。
而FPGA工程师看到是硬件描述语言，verilog或VHDL。
软件看到是函数、对象、重构。
FPGA工程师则是模块、流水、复用。
从现象上看，都是代码到下载程序再到硬件上运行。
不能只看现象而忽略本质。
FPGA 开发本质上是设计一颗IC，“**的身子，丫鬟的命”不是所有verilog/VHDL代码，都能获得青睐去流片成为真正的芯片，而更多的则成为运行在FPGA器件上，成为完成相同功能的替代品。
其实现的功能却一点也不逊色于百万身价流片的近亲。
从而成为独树一帜的行业。

FPGA开发的流程，是通过verilog/VHDL等硬件描述语言通过EDA工具编译、综合、布局布线成为下载文件，最终加载到FPGA器件中去，完成所实现的功能。
那硬件描述语言描述的是什么？
这里描述的就是组合逻辑电路和时序逻辑电路。
组合逻辑电路就是大家所熟知的 与门、或门、非门。
时序逻辑电路则是触发器。
数字芯片上绝大部分逻辑都是这两种逻辑实现的。
也就是基本上每个电子行业的人所学过的数字电路。
顺便说一下，感谢香农大师，在其硕士毕业论文<继电器与开关电路的符号分析>就奠定了数字电路的的根基。
只不过在FPGA中，与或非的操作变成了查找表的操作。
于是所有的数字电路变成了查找表和寄存器，这就构成了FPGA的基础。
查找表负责逻辑实现，寄存器存储电路状态。
二者配合，双剑合璧，天衣无缝。
这是最初的FPGA的雏形。
现代FPGA内部出了查找表和寄存器之外，还有RAM块，用于存储大量的数据块，这是因为RAM块较寄存器来存储大量数据更能节省芯片实现的面积。
FPGA内部的时序电路则需要时钟的输入，通常FPGA内部需要时钟种类较多，因此需要在片内产生所需的的相关的时钟，如不同频率，不同相位的时钟，因此时钟管理单元DCM/PLL也是必不可少的内部部件。
除此之外，FPGA内部还包括接口I/O，I/O分为普通I/O和高速I/O，高速I/O支持例如高速的SERDES，用于实现XAUI，PCIE等高速接口，这些接口动辄几Gbps到10Gbps以上。
此外种类多种多样的硬核IP也是各FPGA厂商差异化竞争利器，例如POWERPC、ARM等硬核IP。
从而构成CPU+FPGA于一体的集可编程性和可重构的处理平台。
因此，相对来所，FPGA虽然发展有二三十年的历史，其基本架构一直不变不大。
     
回到问题开始的地方，FPGA的英文翻译过来是现场可编程门阵列。
这是相对ASIC来说的，ASIC的硬件也可看做是门阵列，但是其是非可编程的器件。
流片完成其功能就固化了，而FPGA的可编程性就在其能够重新下载配置文件，来改变其内在的功能，这就是其可编程性的由来。
从前端开发流程来说，FPGA和ASIC开发并无二至。
由于ASIC开发一次性投入成本较高，FPGA无疑是一种经济的替代方案，用于实现的高速的数据并行处理。
如业务能够支撑大规模应用并且协议固化，则能够分摊成本的ASIC实现就有成本的优势。

FPGA作为一种器件，技术上主要垄断在少数大公司手中，那就是双巨头ALTERA和XILINX。
除此之外还有一些份额相对较小的公司，例如ACTEL和LATTICE。
不止是FPGA的硬件芯片，其配套的EDA工具技术壁垒更高。
因此相对于CPU来说，FPGA的国产化更不乐观，不过已经有国内的厂商来从事这一行业，例如国微和京微雅格等，也在一些细分市场上推出自己的FPGA产品。

FPGA和他那些小伙伴们 （一） 系统架构组成


通常来讲，“一个好汉三个帮”，一个完整的嵌入式系统中由单独一个FPGA使用的情况较少。
通常由多个器件组合完成，例如由一个FPGA+CPU来构成。
通常为一个FPGA+ARM，ARM负责软件配置管理，界面输入外设操作等操作，FPGA负责大数据量运算，可以看做CPU的专用协处理器来使用，也常会用于扩展外部接口。
常用的有ARM+FPGA，DSP+FPGA，或者网络处理器+FPGA等种种架构形式，这些架构形式构成整个高速嵌入式设备的处理形态。
     
不得不说的是，随着技术的进步，现在CPU中集成的单元也随之增加，例如TI的“达芬奇”架构的处理器内部通常由ARM+DSP构成。
同时异构的处理器形态业逐渐流行，如ARM9+ARM7的结构。这类一个主要处理系统(ARM9)外带辅助处理系统(ARM7)的设计，同样成为现在处理器设计的流行方向。主处理系统运行嵌入式操作系统，而辅助处理单元则专注某一些的专用领域的处理。这些系统的应用减少了FPGA作为CPU协处理单元的领域。因为毕竟FPGA相比ARM等流行嵌入式处理器价格要相对较高。
     
在这种情形下，FPGA的厂商似乎也感受到了压力，不约而同推出了带ARM硬核的FPGA，例如ALTERA的  和XILINX的ZYNQ和ALTERA的SOC FPGA。
这是即是互相竞争的需要，也是同众多CPU厂商一掰手腕的杰总。
即使在这两种在趋势下，经典的处理器+FPGA的设计仍然可看做为高性能嵌入式系统的典型配置。
      
经典的处理器+FPGA的配置中有多种的架构形式，即多个处理器单元,可能是ARM，MIPS,或者DSP，FPGA也可能是多片的配置，具体架构形式于具体处理的业务相关和目标设备的定位也相关。
因为FPGA作为简单业务流大数据量的处理形态仍然是CPU无可比拟的优势，FPGA内部可以开发大量业务数据并行，从而实现高速的数据处理。
     
在实现高速处理方面，CPU的另一个发展趋势是多核，多核处理器也能处理大数据量的业务的并行，例如业界TERILA已推出64核的多核处理器，采用MIPS处理器，通过二维MASH网络连接在一起，形成NOC的结构。
在性能上已经和现有的高速FPGA的处理能力上不相上下。
但是多核处理器的不得不说的问题就是，同一业务流分配到多核处理上后，如需交互，例如访问同一资源，就会造成读写的缓存一致的问题，解决的这一问题的天然思路是加锁，即在变量访问上加自旋锁，但是带来的问题就是处理性能的急剧下降。
而FPGA无论并行处理和同一变量的访问，都可以变成工程师的设计水平的问题，没有原理性的挑战。
      
没有一种器件可以满足全人类的众多需求，因此不用担心FPGA没有用武之地。必定是一系列产品的组合。
下面主要介绍一下FPGA可以作为现今热门场景的几种应用。
（1）网络存储产品，特别是现在的NAS，或者SAN设备上，其存储的时间、接口、安全性等都要求较高，而FPGA无论处理性能还是扩展接口的能力都使其在这一领域大有作为。
        现在高端FPGA单片就可以扩展32个或者更多4G或者8G的FC接口。并且其协议处理相对的固定，也使FPGA在这一领域有大量的可能应用。
（2）高速网络设备，现在高速网络设备10G、40/100G以太网设备领域，同样FPGA也是关键的处理部件。
        特别是IPv6的商用化及大数据对于基础设施的高要求，都使这一领域的处理应用会逐渐广泛，这一领域通常是高速网络处理器（NP）+FPGA的典型架构。
（3）4G等通信设备，对于新一代通信基站的信号处理，FPGA+DSP阵列的架构就是绝配。
        特别是在专用处理芯片面世之前，这样的架构可以保证新一代通信基础设施的迅速研发和部署。
      
没有完美的架构，只有合适的组合，各种芯片和架构都是为应用服务，互相的渗透是趋势，也是必然。
FPGA相对处理器的可编程领域，仍然属于小众（虽然人数也不少）。
但是正像一则笑话所说：大腿虽然比根命根子粗，但决没有命子重要。
这算开个玩笑。
FPGA的实现为以后的芯片化留下了许多可能和想象空间，从而在应用大量爆发时通过芯片化来大幅降低成本，这这也正是其他可编程器件所不能比拟的。

FPGA和他那些小伙伴们 （二） 器件互联

系统架构确定，下一步就是FPGA与各组成器件之间互联的问题了。
通常来说，CPU和FPGA的互联接口，主要取决两个要素：
    （1）CPU所支持的接口。
    （2）交互的业务。
      
通常来说，FPGA一般支持与CPU连接的数字接口，其常用的有EMIF，PCI,PCI-E,UPP,网口（MII/GMII/RGMII），DDR等接口。
作为总线类接口，FPGA通常作为从设备与CPU连接，CPU作为主设备通过访问直接映射的地址对FPGA进行访问。
根据是否有时钟同步，通常总线访问分为同步或异步的总线，根据CPU外部总线协议有所不同，但数据、地址、控制信号基本是总线访问类型中总线信号所不能省略的。
CPU手册中会对信号定义和时序控制有着详细的说明，FPGA需要根据这些详细说明来实现相应的逻辑。
同时CPU还可以对访问时序进行设置，比如最快时钟，甚至所需的最小建立时间和保持时间，这些一般CPU都可以进行设置，而这些具体参数，不仅影响FPGA的实现，也决定总线访问的速度和效率。
对于同步总线，只需要根据输入时钟进行采样处理即可，但对于异步总线，则需要的对进入的控制信号进行同步化处理，通常处理方式是寄存两拍，去掉毛刺。
因此用于采样的时钟就与CPU所设置的总线参数相关，如采样时钟较低，等控制信号稳定后在译码后输出，一个总线操作周期的时间就会相对较长，其处理的效率也相对较低；
假如采样时钟过快，则对关键路径又是一个挑战，因此合理设定采样频率，便于接口的移植并接口的效率是设计的关键点和平衡点。
      
对于总线型的访问来说，数据信号通常为三态信号，用于输入和输出。
这种设计的目的是为了减少外部连线的数量。
因为数据信号相对较多一般为8/16/32位数据总线。
总线的访问的优势是直接映射到系统的地址区间，访问较为直观。
但相对传输速率不高，通常在几十到100Mbps以下。
这种原因的造成主要为以下因素
（1）受制总线访问的间隔，总线操作周期等因素，总线访问间隔即两次访问之间总线空闲的时间，而总线操作周期为从发起到相应的时间。
（2）不支持双向传输，并且FPGA需主动发起对CPU操作时，一般只有发起CPU的中断处理一种方式。
这种总线型操作特点，使其可以用作系统的管理操作，例如FPGA内部寄存器配置，运行过程中所需参数配置，以及数据流量较小的信息交互等操作。
这些操作数据量和所需带宽适中，可以应对普通的嵌入式系统的处理需求。
     
对于大数据流量的数据交互，一般采用专用的总线交互，其特点是，支持双向传输，总线传输速率较快，例如GMII/RGMII、Upp、专用LVDS接口，及SERDES接口。
专用SERDES接口一般支持的有PCI-E，XAUI，SGMII，SATA，Interlaken接口等接口。
GMII/RGMII,专用LVDS接口一般处理在1GbpS一下的业务形式，而PCI-E，根据其型号不同，支持几Gbps的传输速率。
而XAUI可支持到10Gbps的传输速率，lnterlaken接口可支持到40Gbps的业务传输。
      
对于不同所需的业务形式及处理器的类型，则可选择相应的接口形式，来传输具体的业务。
现今主流FPGA中都提供的各种接口的IP。
选择FPGA与各型CPU互联接口，一般选择主流的应用交互方案，特殊的接口缺少支撑IP，导致开发、调试、维护和兼容性的成本都较大，同时注意系统的持续演进的需要，如只在本项目使用一次，而下一项目或开发阶段已摒弃此类接口，则需提前规划技术路线。
毕竟一个稳定、高效的接口互联是一个项目成功的基础。
     
不是所有的嵌入式系统都需要“高大上”的接口形式，各类低速的稳定接口也同样在FPGA的接口互联中有着重要的角色，其中UART、SPI、I2C等连接形式也非常的常见。
毕竟，一个优秀的设计不是“高大上”的堆积，而是对需求最小成本的满足。
适合的才是最美的。

灵活性的陷阱

如果说用一个词来描述FPGA的特性，灵活性肯定名列前茅。
        
FPGA的灵活性在于：
         （一）I/O的灵活性，其可以通过其I/O组成各种接口与各种器件连接，并且支持不同的电气特性。
         （二）内部存储器灵活性，可以通过IP生成工具生成各种深度和宽度的RAM或者FIFO等。
         （三）逻辑的灵活性，内部逻辑通可生成的各种类型IP。  
         
对于I/O接口来说，FPGA的I/O可以支持不同类型的电平和驱动能力，各I/O未定义之前其地位平等，例如一个数据信号可将其约束在任意引脚，只要其电平符合连接的规范。
因此硬件工程师基于这种认识，在PCB布线时，基于布线需要，便调整其布线的顺序，例如互换两个信号的位置。
通常情况上，这种调整是没有任何问题的。
但是随着FPGA的接口IP核硬核化的趋势，逐渐由很多的接口IP不能支持这种调整。
例如对于较早的SDRAM或者DDRSDRAM来说，在xilinx和ALTERA的FPGA上，其数据、地址信号等都是可调的。
但是随着DDR2，DDR3接口的出现，其IP接口，只能支持在某个BANK并且例化结束后直接生成相应的约束文件，而这些的改动将会导致布局布线的错误。
另一些例子则是一些高速SERDES的组合。
例如对于XAUI接口来说，其硬核IP（ALTERA）上就不支持4组SERDES的顺序互换，这将会影响其硬核FCS的编码。
如果板级连接上与PHY的顺序与FPGA例化IP的约束不一致，则其硬核PCS就不能布局布线通过（软核FCS可以支持调整）。
这种灵活性认识导致硬件板级互联的问题可谓屡见不鲜，特别是系统复杂度的上升，板级连线的增加，将会导致设计人员疏忽从而掉入“灵活性的陷阱”。
解决此类问题的方法。
包括
（1）预评估，在设计之前就在FPGA上评估所需的接口的逻辑占用、约束位置、时钟需求等等，预先评估给系统设计提供相应的数据支撑和设计参考。
（2）沟通，对于设计的变更，要进行有效沟通，不能使铁路警察，各管一段。
（3）设计评审，虽然老套，但每个环节上的评审能有效减少掉入类似陷阱的几率。
        
对于内部存储资源，大多数FPGA工程师就是拿来就用的状态。
而缺少整体内部memory规划，一般来说，对于单端口、双端口、假双端口，各型芯片手册中都有明确的定义，例如xilinx的SPATAN3系列中最小RAM单元为18K。
一个RAM例化最小单位就是18K。
而新的器件中最小单位一般为9K。
也就是说虽然工程师例化的较小的RAM，例如256*16.只有4K，但是其也占用一个最小单元，根据器件的不同而不同。
而乱用双端口导致RAM资源的过分占用则是更常见的设计问题。
FPGA内部对于单个RAM能够支持的真双端口是有限制的。
举例说明，对于ALTERA的9K的存储单元一般支持512*18的双端口RAM。
但如果是一个256*32的双端口则需要占用2个9K的存储RAM。
也就是说，RAM器件的能力是有限的，这取决于RAM的外部互联线是有限的，以刚才说的256*32的双端口RAM来说，其需要数据线就是64根（双端口），对于单个RAM的连线资源来说，这是FPGA内部逻辑资源难以承受的。
所以根据器件特定，合理规划内部memory资源，才能在最大限度的达到高效的利用。
      
FPGA内部可以例化各型IP，基于IP的复用的可以大大增加研发的进度。
但是各种IP的互联之间则需对IP的特性了解清楚，明确IP是否为业务所需的IP。
有的IP和工程所需可能只是名称一致，但其功能却不是你想要的。
例如网口IP在MII连接方式下，是用于FPGA连接PHY的操作。
如果FPGA与CPU通过MII连接，现有的IP则难以满足需求。
这是因为MII连接PHY其所有的时钟都是PHY提供的。
CPU的设计也是与PHY连接，其时钟也有PHY提供。
而如果二者连接，就变成都等着对方提供时钟，则就变成没有时钟。
这种调试问题相对来说容易解决，不过在系统规划是，就需要对整个IP是否能够满足系统的设计要求，有着明确的判断。
      
灵活性是FPGA最大的特性，在设计中避开那些灵活性的陷阱，才能从FPGA整体上提升设计能力，而不是做只会写Verilog的码农。
毕竟FPGA设计不是软件设计，其最终要成为变成硬件承载的，每一行语句都要考虑其综合后的电路，才能真正领会FPGA设计的精髓。

从零开始调试FPGA

“合抱之木，生于毫末；九层之台，起于垒土；千里之行，始于足下。”   
老子《道德经》

对于新手来说，如何上手调试FPGA是关键的一步。
对于每一个新设计的FPGA板卡，也需要从零开始调试。
那么如何开始调试？

下面介绍一种简易的调试方法。
(1) 至少设定一个输入时钟 input  sys_clk;
(2) 设定输出 output [N-1:0]  led;
(3)设定32位计数器 reg [31:0]  led_cnt;
(4) 时钟驱动计数器开始工作
        always@(posedge sys_clk)
        led_cnt <= led_cnt + 1
(5)输出led信号。
        assign led = led_cnt[M:N];
        程序完成。
(6)设定管教约束
        如果为XILINX   FPGA ，在UCF文件中   NET “sys_clk”    LOC  = 管脚名称
        如果为ALTERA  FPGA ，在QSF文件中，添加  set_location_assignment  管脚名称 -to  sys_clk
        其他管脚，可依次类推。
(7)编译，布局、布线，生成配置文件。
        XILINX  生成BIT文件。
        ALTERA 生成SOF文件
(8)连接JTAG，下载相应的配置文件。
(9)观察是否闪灯(肉眼可见)。

关于闪灯的解释如下：
        assign     led = led_cnt[M:N];    led_cnt 为32bit的信号，需要几个闪灯，则根据输入时钟的频率和肉眼能够分辨的时间（100ms）。
        如输出时钟为25Mhz。
        则闪灯看见的位置能够分批到10hz。
        需分频2.5M= 32‘h2625A0,因此，则需要输出至少为led_cnt[21]位，才能看到闪灯。

虽然程序简单，但是，通过调试可以确认：
（1）首先可确定JTAG下载器的正确连接，能够正常下载下载文件。
        如不能，常见问题包括
                (一)检查是否安装驱动。
                (二)下载器是否由红灯变成黄灯/绿灯。如红灯亮一般情况下，JTAG的与电路板VCC没有供电。
                (三)检查JTAG连接的线序。
                (四)检查JTAG电路，检查原理图上TMS，TDI，TDO的上拉和下拉电阻是否与datasheet中一致。
        通过以上四种方式，可排除绝大部分JTAG下载的错误。
（2）可以判断晶振是否起振，下载后无灯闪。
                (一)首先，示波器查看晶振频率，观察晶振的输出，如无输出，查看晶振的电源和地信号，如电源正常，而晶振无反应，则更换晶振。
                (二)如无示波器，也有替代的方法，通过嵌入式逻辑分析仪抓信号（任意信号）。
                        如逻辑分析仪点击采样后无反应，则无时钟输入。
        这是因为逻辑分析仪也需要时钟进行逻辑值的存储。
（3）如正常下载后闪灯，证明该FPGA板卡硬件设计上能够达到最低限度的FPGA调试状态。
最后，说明一下，为什么是闪灯而不是亮灯的程序，这是因为，首先闪灯可以判断外部晶振工作正常，并且由于LED等通常为上拉，也就是说逻辑值0表示灯亮，而也不排除某硬件工程师非要下拉。
        逻辑1表示亮。因此采用闪灯更加方便。

问题：为什么LED灯值为什么要上拉？
这是因为：LED上拉后，需要灯亮时电流由外部电源提供，而下拉，灯亮时电流由芯片的CMOS电路驱动。
        这种在设计中应避免。

架构设计漫谈（一）流驱动和调用式

勿用讳言，现在国内FPGA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FPGA工程师都要面临的问题。架构设计是面临的第一关。
经常有这样的项目，需求分析，架构设计匆匆忙忙，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。
        
磨刀不误砍柴工，FPGA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架构设计的首要问题。
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SOPC，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。

FPGA研发牛人心得总结

很好，顶~~~~~~~~~~~~~~