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2019年国产FPGA芯片将面临的是机遇还是挑战?

来源: 2019/6/5 浏览量:161 关键词: 国产FPGA芯片 可编程逻辑器件 机遇 国产 半导体 芯片


虽然FPGA芯片为嵌入式设计带来了强大的功能和灵活性,但额外的开发过程为设计工作增加了新的复杂性和局限性。集成传统硬件-FPGA芯片软件设计流程并利用FPGA芯片可重编程性是我们的解决方案之一。

随着FPGA芯片技术逐渐扩展到军用电子系统和嵌入式电子行业的几乎所有领域,利用可编程逻辑的应用已占据主导地位。通信,机载和控制系统尤其受益于FPGA芯片的设计灵活性,现场重配置和并行处理能力。同时,更短的设计周期和更简化的验证流程有助于加快应用程序流程。

尽管FPGA芯片无处不在,但很少有应用能够真正释放国产FPGA芯片的全部潜力。这种限制的原因是FPGA芯片开发在很大程度上是一种叠加,或者至多是与传统硬件和软件工作流程的连接。这种孤立的国产FPGA芯片开发阶段导致整个设计过程的复杂性显着增加 - 并最终限制了硬件和软件领域中可用的设计选择范围。

为了简化整体设计工作并丰富设计选项,需要集成单独的设计流程,如硬件设计,软件开发和可编程硬件设计,以便整体处理任务。只有允许所有设计流程在基础级别共享统一的设计数据库和通用设计环境,才能充分利用FPGA芯片可重编程性的最重要的独特优势,将国产FPGA芯片设计推向前所未有的水平。充分利用FPGA芯片灵活性的关键是了解其趋势和设计挑战,并了解如何在国产FPGA芯片系统中集成三个主要设计方面(硬件,可编程硬件和软件。

国产FPGA芯片从胶合逻辑转移到SoC



 

当国产FPGA芯片首次进入嵌入式市场时,它们被认为是实现大量简单胶合逻辑的便捷而有效的替代方案。在此应用中,嵌入式硬件是主要硬件和软件设计的子公司,开发过程不涉及其他组件的设计过程,也不需要与这些过程交互。

 

然而,基于大规模数字逻辑便利容器的概念,今天的国产FPGA芯片器件及其使用发生了巨大变化。大容量国产FPGA芯片现在承载整个SoC设计,在可编程世界中实现了核心功能元件,如处理器,存储器和高速数据处理。在军用嵌入式系统中,由于输出相对较低,很难采用ASIC设计,而国产FPGA芯片提供了一种经济有效的方式来充分利用SoC设计的物理简单性和可靠性。 。

 

与简单的胶合逻辑设计相比,SoC实现的主要区别在于硬件和软件开发现在基本相关并且依赖于FPGA芯片设计。这是因为FPGA芯片器件和支持外设是物理设计的核心和核心元素,嵌入式应用也加载到FPGA芯片上。因此,对FPGA芯片域的任何更改都会对硬件和软件域产生重大影响。

 

 

限制创新

 

如果设计的各个部分(例如硬件,软件和当前嵌入式硬件)被视为独立且不相关的任务,那么FPGA芯片产品设计的传统开发过程仍然是传统的,无论设计域如何相互依赖。程序。

一个设计领域的变化往往会对其他领域产生破坏性影响,并且重新设计需要耗费时间。也就是说,必须在设计阶段早期制定(和锁定)诸如硬件和软件分区之类的主要决策,这与传统的非FPGA芯片嵌入式设计没有区别。实际上,在有意义的软件开发之前,诸如FPGA芯片器件和外围硬件之类的物理硬件以及随后的可编程硬件元件被锁定。

 

这些初始决策决定了后续开发过程的参数和局限性,因此随着过程的进行,设计选项越来越少。例如,选定的FPGA芯片器件(和硬件外设)将定义性能上限,包括确定要使用的嵌入式IP,以及嵌入式硬件设计,以定义软件可用的功能。换句话说,FPGA芯片器件只能支持器件供应商提供的软处理器,后者又定义了应用软件可用的编程选项。

 

此外,为了微调设计的性能,例如将软件算法转移到嵌入式硬件,或从嵌入式处理器转移到硬连线处理器,或选择不同的FPGA芯片类型等,将导致硬件,大规模重新设计所有域名,例如编程硬件和软件。对于开发时间紧张的军事/航空航天系统,这种重新设计对设计周期的中断有重大影响,因此大多数工程师将尽最大努力避免这种设计风险。但是,高性能和设计稳定性同样至关重要,因此检查处理器选项并利用软算法而不是硬算法的优势也很重要。

 

 

重建整合

 

如前所述,简单地将FPGA芯片开发过程添加到现有设计工作流程中就很难充分利用FPGA芯片。对于需要降低NRE成本和速度设计的应用,传统设计方法的局限性抵消了这一优势;这就是FPGA芯片应该做到最好的地方。

 

恢复设计选择和充分利用FPGA芯片的第一步是统一硬件设计,软件开发和可编程硬件设计。通过使用来自整体设计统一数据模型的集成设计系统和应用,设计域可以随着每个域中的设计变化而及时地交互和响应。实际上,每个域使用相同设计和组件库数据的子集。由于可以在所有设计区域中轻松(甚至自动)反映更改,因此可以显着简化设计更改,例如在软件和硬件之间传输功能,或探索其他设备。

 

例如,在统一设计数据池中,所选FPGA芯片器件的设计数据和配置文件可应用于硬件和FPGA芯片设计区域。如果在FPGA芯片设计阶段更改了芯片器件或其引脚配置,则此信息会立即用于硬件设计实现。通过这种方式,我们可以探索不同的设计选择以提高效率,并简化硬件和国产芯片设计域之间的引脚交换等高级设计功能。


充分利用可重编程性

 

在这个一体化设计环境中,开发人员终于能够充分利用FPGA芯片的灵活性。例如,在典型环境中,物理硬件组件的大多数物理放置可能使国产FPGA芯片和外围设备之间的连接极其复杂,并且这方面也是由高密度BGA封装引起的问题。一种解决方案是解决FPGA芯片内部组件之间路由的复杂性,并通过国产FPGA芯片可重配置引脚和内部路由实现板载连接的战略安排。

 

在这里,我们使用国产FPGA芯片的引脚再分配和内部布线功能来解决板上布线挑战,并且可以减少电路板空间和层数要求。这种理念还依赖于平台级硬件和软件以及FPGA芯片开发环境,以支持硬件和国产FPGA芯片域之间的智能和自动引脚交换。

 

此外,这种一体化设计方法使得实现全局软件系统成为可能,该系统增强了设计过程的抽象,例如使用图表或图形嵌入式设计方法来同步软件和硬件域。由于数据已经作为一体化设计环境的所有域中的统一实体存在,与采用一系列独立工具的系统不同,单个域中的更高级别设计抽象不会增加设计数据流的复杂性。

 

这种设计抽象的自然扩展是实现一个高级嵌入层,有效地将软件元素与它们所连接的硬件分开。这些插件层标准化了处理器与其他硬件(如内存和外设)之间的接口,无需考虑I / O配置和总线系统的底层硬件复杂性。无论是传统的设计更新,不同的产品型号配置,现有的IP重用还是后期制作升级,国产FPGA芯片设计的重新配置都将是一个更简单,风险更低的过程。

 

 

实际上,Wishbone总线架构,基于库的FPGA芯片内核支持处理器和外设。通过有效地“封装”设备在架构上等同于其他处理器,核心可以提取处理器接口,以便可以根据需要修改处理器,而不会影响与其连接的外围设备,或者导致设计被强制进行重大更改。除了基于国产FPGA芯片的“软”设备之外,上述概念还可以扩展到混合硬核处理器,外部处理器以及片外独立外围设备和存储设备。

 

 

本文中描述的集成高级设计方法是通过利用国产FPGA芯片主机的可重编程功能实现的。所有应用的层和接口以及功能设计本身都自动包含在FPGA芯片系统中。因此,与“固定”ASIC类SoC设计的传统工艺不同,功能先进的国产FPGA芯片可以动态探索不同的硬件设计选择,而不会严重影响设计的其余部分。

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