FPGA架构设计(经典).docx
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2019-05-09
09:55:22
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FPGA 架构设计
前言
FPGA 架构设计人员需要对 FPGA 开发本身足够熟悉外，对 FPGA 的优劣势、等都要心中有数。接
下来就是对 FPGA 的架构流程、注意点有足够的知识和经验。本文就对 FPGA 架构设计进行系统讲解。
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。
下面主要介绍几个 FPGA 架构设计过程中通常考虑点。
架构设计方式：流驱动和调用式
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
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