FPGA研發(3) FPGA和他那些小夥伴們 (二) 器件互聯。

           系統架構確定,下一步就是FPGA與各組成器件之間互聯的問題了。通常來說,CPU和FPGA的互聯接口,主要取決兩個要素:

  (1)CPU所支持的接口。

   (2)交互的業務。

     通常來說,FPGA一般支持與CPU連接的數字接口,其常用的有EMIF,PCI,PCI-E,UPP,網口(MII/GMII/RGMII),DDR等接口。作爲總線類接口,FPGA通常作爲從設備與CPU連接,CPU作爲主設備通過訪問直接映射的地址對FPGA進行訪問。根據是否有時鐘同步,通常總線訪問分爲同步或異步的總線,根據CPU外部總線協議有所不同,但數據、地址、控制信號基本是總線訪問類型中總線信號所不能省略的。CPU手冊中會對信號定義和時序控制有着詳細的說明,FPGA需要根據這些詳細說明來實現相應的邏輯。同時CPU還可以對訪問時序進行設置,比如最快時鐘,甚至所需的最小建立時間和保持時間,這些一般CPU都可以進行設置,而這些具體參數,不僅影響FPGA的實現,也決定總線訪問的速度和效率。對於同步總線,只需要根據輸入時鐘進行採樣處理即可,但對於異步總線,則需要的對進入的控制信號進行同步化處理,通常處理方式是寄存兩拍,去掉毛刺。因此用於採樣的時鐘就與CPU所設置的總線參數相關,如採樣時鐘較低,等控制信號穩定後在譯碼後輸出,一個總線操作週期的時間就會相對較長,其處理的效率也相對較低;假如採樣時鐘過快,則對關鍵路徑又是一個挑戰,因此合理設定採樣頻率,便於接口的移植並接口的效率是設計的關鍵點和平衡點。

      對於總線型的訪問來說,數據信號通常爲三態信號,用於輸入和輸出。這種設計的目的是爲了減少外部連線的數量。因爲數據信號相對較多一般爲8/16/32位數據總線。總線的訪問的優勢是直接映射到系統的地址區間,訪問較爲直觀。但相對傳輸速率不高,通常在幾十到100Mbps以下。這種原因的造成主要爲以下因素(1)受制總線訪問的間隔,總線操作週期等因素,總線訪問間隔即兩次訪問之間總線空閒的時間,而總線操作週期爲從發起到相應的時間。(2)不支持雙向傳輸,並且FPGA需主動發起對CPU操作時,一般只有發起CPU的中斷處理一種方式。這種總線型操作特點,使其可以用作系統的管理操作,例如FPGA內部寄存器配置,運行過程中所需參數配置,以及數據流量較小的信息交互等操作。這些操作數據量和所需帶寬適中,可以應對普通的嵌入式系統的處理需求。

     對於大數據流量的數據交互,一般採用專用的總線交互,其特點是,支持雙向傳輸,總線傳輸速率較快,例如GMII/RGMII、Upp、專用LVDS接口,及SERDES接口。專用SERDES接口一般支持的有PCI-E,XAUI,SGMII,SATA,Interlaken接口等接口。GMII/RGMII,專用LVDS接口一般處理在1GbpS一下的業務形式,而PCI-E,根據其型號不同,支持幾Gbps的傳輸速率。而XAUI可支持到10Gbps的傳輸速率,lnterlaken接口可支持到40Gbps的業務傳輸。

      對於不同所需的業務形式及處理器的類型,則可選擇相應的接口形式,來傳輸具體的業務。現今主流FPGA中都提供的各種接口的IP。選擇FPGA與各型CPU互聯接口,一般選擇主流的應用交互方案,特殊的接口缺少支撐IP,導致開發、調試、維護和兼容性的成本都較大,同時注意系統的持續演進的需要,如只在本項目使用一次,而下一項目或開發階段已摒棄此類接口,則需提前規劃技術路線。畢竟一個穩定、高效的接口互聯是一個項目成功的基礎。

     不是所有的嵌入式系統都需要“高大上”的接口形式,各類低速的穩定接口也同樣在FPGA的接口互聯中有着重要的角色,其中UART、SPI、I2C等連接形式也非常的常見。畢竟,一個優秀的設計不是“高大上”的堆積,而是對需求最小成本的滿足。適合的纔是最美的。

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