隨著FPGA設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展到SoC方法 器件和嵌入式硬件設(shè)計(jì)成為了關(guān)鍵要素

隨著FPGA設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展到SoC方法器件和嵌入式硬件設(shè)計(jì)成為了關(guān)鍵要素任何企業(yè)都會(huì)面臨這樣一個(gè)需要思考的問(wèn)題，那就是到底應(yīng)該在人力資源和設(shè)備方面投入多少來(lái)實(shí)現(xiàn)贏利目標(biāo)才是好的，尤其是在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)下，這個(gè)問(wèn)題變得更加突出。投資過(guò)度會(huì)抹殺利潤(rùn)的潛在增長(zhǎng)，而投資不足則又會(huì)讓企業(yè)缺乏抓住市場(chǎng)機(jī)遇的資源，甚至深陷無(wú)法實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的危險(xiǎn)之中。一切的關(guān)鍵就是找到投資與收益之間的最佳平衡，做出明智選擇并采用更靈巧的方式，來(lái)滿(mǎn)足自己的需求。大大小小的企業(yè)在大部分事情上都能夠漂亮地實(shí)現(xiàn)上述平衡。因此，他們能夠集中精力在公司運(yùn)營(yíng)上，讓長(zhǎng)期績(jī)效與企業(yè)目標(biāo)相吻合。然而在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)，隨著FPGA等可編程器件的興起，一向舉止明智的企業(yè)開(kāi)始有點(diǎn)失常。他們竟不對(duì)成本與效果、長(zhǎng)期影響與工作流程效率進(jìn)行綜合而全面的考慮，僅著眼于短期效益，便對(duì)FPGA開(kāi)發(fā)硬件與工具匆匆做出選擇。這一“便利”而沖動(dòng)的選擇可能是一塊價(jià)值幾十美元并且還配套提供免費(fèi)開(kāi)發(fā)工具的基礎(chǔ)FPGA開(kāi)發(fā)板?！氨憷钡拇鷥r(jià)不可否人，幾十美元的FPGA開(kāi)發(fā)板確實(shí)極富吸引力，但從專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來(lái)考慮，這何嘗不是一種有風(fēng)險(xiǎn)的選擇。舉例來(lái)說(shuō)，某種新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本不低于100萬(wàn)美元，潛在收入會(huì)超過(guò)1000萬(wàn)美元，而參與項(xiàng)目的工程師平均工資為10萬(wàn)美元，這種情況在當(dāng)今的行業(yè)中很常見(jiàn)。那么，想想看，如果把這數(shù)百萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的命脈交到區(qū)區(qū)幾十美元的系統(tǒng)投資手中，這些數(shù)字看起來(lái)該有多么失衡和錯(cuò)亂。盡管通常的審查與權(quán)衡工作好像在這里已經(jīng)失敗，但很可能這并不是事實(shí)。因?yàn)楣こ處煟赡芫褪悄└緵](méi)有進(jìn)行審查和權(quán)衡，而是貿(mào)然認(rèn)定只要擁有合適的FPGA器件、可用的外設(shè)和一系列外部連接器，這種幾十美元的開(kāi)發(fā)板就可行。配套設(shè)計(jì)工具套件可以免費(fèi)下載，一旦做出決定，您可馬上開(kāi)始嵌入式硬件開(kāi)發(fā)，而且嵌入式軟件設(shè)計(jì)人員也向?qū)嶋H硬件的測(cè)試工作邁進(jìn)了一步。從表面上看這似乎是解決燃眉之急的合理方案，但對(duì)涉及數(shù)千、甚至數(shù)百萬(wàn)美元的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目而言，未經(jīng)審核的匆忙決定往往讓您欲速則不達(dá)。這種價(jià)格低廉的開(kāi)發(fā)硬件，除了存在質(zhì)量限制外，系統(tǒng)的內(nèi)在約束大大縮小了可選的設(shè)計(jì)選擇范圍，而這些限制很可能造成代價(jià)高昂的設(shè)計(jì)讓步與延誤。約束之一是FPGA器件固定在電路板上，這樣會(huì)限制設(shè)計(jì)人員只能選擇特定廠商的某一器件系列。如果最初決定選擇具有超額容量的器件，意味著您不會(huì)用完所有門(mén)或I/O，但對(duì)于所有其他功能與特性而言，在正式開(kāi)始設(shè)計(jì)之前必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。如果您做出了錯(cuò)誤的選擇——最終發(fā)現(xiàn)器件運(yùn)行速度太慢，占用太多功率，需要硬編碼處理器或DSP，或者需要更換——此時(shí)除了尋找替代器件和新開(kāi)發(fā)板之外別無(wú)選擇。新開(kāi)發(fā)板可能只需再花幾十美元，但在新器件繼續(xù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)工作幾乎不太可能，這會(huì)進(jìn)而導(dǎo)致必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，而使項(xiàng)目開(kāi)發(fā)延誤，代價(jià)高昂。上述情況的前提是能夠從同一家廠商獲得合適的替代器件，但如果只能從其他廠商獲得可行的替代器件的話(huà)，情況會(huì)變得更糟。此情況下，一旦新器件架構(gòu)與現(xiàn)有器件架構(gòu)不兼容，整個(gè)設(shè)計(jì)只能從頭再來(lái)，從而造成更長(zhǎng)時(shí)間的延誤及更高成本。與此同時(shí)，嵌入式軟件工程師還要繼續(xù)等待您完成嵌入式硬件。另一個(gè)潛在約束是FPGA廠商提供的免費(fèi)專(zhuān)有工具鏈。雖然這些工具是用于支持廠商的相關(guān)產(chǎn)品和促進(jìn)銷(xiāo)售的，但是它們往往很自然無(wú)法支持競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品。因此，如果您為了解決設(shè)計(jì)問(wèn)題而更換FPGA器件廠商，還需要學(xué)習(xí)適應(yīng)新的工具和方法。綜合上述因素來(lái)看，倉(cāng)促選擇開(kāi)發(fā)硬件會(huì)嚴(yán)重影響對(duì)特定項(xiàng)目設(shè)計(jì)選項(xiàng)的探索。而獲得最佳設(shè)計(jì)解決方案的可能性也會(huì)非常小，變更器件類(lèi)型會(huì)迫使大量重新設(shè)計(jì)的，而更換廠商意味著需要學(xué)習(xí)新的工具與方法。最重要的是，涉及數(shù)百萬(wàn)美元的設(shè)計(jì)項(xiàng)目最終會(huì)陷入危險(xiǎn)之中。粘性問(wèn)題實(shí)踐過(guò)程中潛伏的真相是幾十美元的低成本方案還會(huì)迫使您為避免額外的工作和延誤而不得不繼續(xù)選用特定廠商和器件系列。您在后續(xù)設(shè)計(jì)中使用該廠商的器件與IP越多，則整體設(shè)計(jì)資源就越傾向于鎖定到該廠商。這意味著既定項(xiàng)目會(huì)缺乏設(shè)計(jì)選擇，而且所帶來(lái)的損害會(huì)蔓延到未來(lái)的設(shè)計(jì)。在后續(xù)項(xiàng)目中再利用以該廠商為中心的設(shè)計(jì)從一開(kāi)始就會(huì)減少設(shè)計(jì)可能性，因此您可能會(huì)為了適應(yīng)廠商的FPGA而調(diào)整設(shè)計(jì)，而不是選擇最適合相關(guān)設(shè)計(jì)的FPGA，這樣您會(huì)牢牢地受制于單一而死板的設(shè)計(jì)思路。為了便于入手，您還很有可能從器件廠商商采購(gòu)IP內(nèi)核。這種IP僅適用于該廠商提供的特定范圍的FPGA器件，因此會(huì)緊緊地依賴(lài)于狹窄的芯片范圍。這種‘粘性IP’會(huì)讓本來(lái)的設(shè)計(jì)選擇受限問(wèn)題雪上加霜，因?yàn)樵谔剿髟O(shè)計(jì)選項(xiàng)時(shí)無(wú)法選擇其他廠商的器件。其缺陷是，倉(cāng)促?zèng)Q定采用低成本開(kāi)發(fā)板方案看似確定了設(shè)備選擇標(biāo)準(zhǔn)，但事實(shí)上制造出了一種受限的‘依附于廠商的’FPGA設(shè)計(jì)環(huán)境。這種環(huán)境甚至從您開(kāi)始設(shè)計(jì)之前就自然地約束您的設(shè)計(jì)選擇，迫使您走上死板的預(yù)定設(shè)計(jì)思路，同時(shí)降低設(shè)計(jì)IP對(duì)未來(lái)項(xiàng)目的價(jià)值。那么，為什么那些理智而又聰明的設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常居然采用限制他們?cè)O(shè)計(jì)能力、甚至讓關(guān)鍵項(xiàng)目陷入危險(xiǎn)的方法？這種認(rèn)為這是正?；蚩梢宰屓私邮艿墓ぷ鞣绞降南敕〞?huì)讓人想起FPGA的早期實(shí)施階段——當(dāng)時(shí)大家把FPGA看成一個(gè)容納眾多支持膠合邏輯的簡(jiǎn)便而又高效的受體。此情況下，采用FPGA的決定可能是在設(shè)計(jì)周期的后期做出，而相關(guān)邏輯的功能價(jià)值較低，而且其再利用需求也很低。隨著FPGA設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展到SoC方法，器件和嵌入式硬件設(shè)計(jì)成為了基本的關(guān)鍵要素。SoC方法在FPGA中部署了處理器、存儲(chǔ)器以及數(shù)據(jù)處理等更多關(guān)鍵功能元件。選擇使用哪種器件的決定變得至關(guān)重要而且需要在設(shè)計(jì)早期決定，它容納的設(shè)計(jì)IP代表著巨大、寶貴的設(shè)計(jì)投資。設(shè)計(jì)選擇與重用成為嵌入式硬件的關(guān)鍵。如今，F(xiàn)PGA已經(jīng)發(fā)展成設(shè)計(jì)的核心或中心平臺(tái)。這是超越SoC方法的進(jìn)一步發(fā)展，在其中，除了擁有高級(jí)功能，F(xiàn)PGA還可用作設(shè)計(jì)中軟硬元素的連接結(jié)構(gòu)。處理器、存儲(chǔ)器或DSP可以作為軟核心、物理硬件或者同時(shí)作為二者加以實(shí)現(xiàn)，而FPGA容納的可重編程層可以把它們?nèi)咳诤显谝黄稹，F(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵差異化要素同時(shí)在軟件和可編程硬件中被定義。所有這一切與FPGA功能及其容納的IP息息相關(guān)，因此，事后才添加基于FPGA的簡(jiǎn)單膠合邏輯的方法雖然在過(guò)去可行，但是現(xiàn)在已經(jīng)不再管用。自由選擇是實(shí)現(xiàn)出色設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵，缺乏自由選擇會(huì)產(chǎn)生巨大的潛在成本。問(wèn)題是，面對(duì)成千上萬(wàn)的巨大投資，您是否愿意冒險(xiǎn)采用低成本FPGA開(kāi)發(fā)板并能夠承受它帶來(lái)的影響？為獲得設(shè)計(jì)自由而投資我們需要的是不會(huì)造成上述限制和設(shè)計(jì)約束的FPGA開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。理想情況下需要具備一種能夠通過(guò)插入式FPGA子板系統(tǒng)容納任何器件的可重構(gòu)開(kāi)發(fā)板。各種子板可按需添加，從而在設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)程中逐步提高可用器件選擇范圍。隨后，嵌入式開(kāi)發(fā)的物理硬件選擇可以擺脫對(duì)FPGA類(lèi)型及其廠商的依賴(lài)。硬件外設(shè)板選擇也是如此，開(kāi)發(fā)板可為通用外設(shè)級(jí)提供插入式系統(tǒng)，如：LCD屏幕、I/O接口或音視頻信號(hào)調(diào)節(jié)，其中還可包含配套IP，從而可以輕松快速?gòu)囊粋€(gè)外設(shè)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)外設(shè)，或在最終設(shè)計(jì)中添加相關(guān)硬件。如果這種系統(tǒng)還可以提供一系列良好的擴(kuò)展連接器，并具備與其重要性相符的質(zhì)量水平，而非追求低價(jià)格，那么相關(guān)硬件就能夠帶來(lái)自由的設(shè)計(jì)方法。下一步是通過(guò)消除FPGA設(shè)計(jì)工具的相同約束而獲得器件自由。采用能夠讓嵌入式硬件設(shè)計(jì)本身與容納它的器件脫離的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)器和‘約束’文件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上述目的。這樣，在修改FPGA器件時(shí)只需加載新的約束文件，而設(shè)計(jì)來(lái)源仍有效，只需進(jìn)行很少，甚至無(wú)需任何重新設(shè)計(jì)。最終可以獲得能夠打開(kāi)器件與IP可能性廣闊天地大門(mén)的FPGA開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。在最少重新設(shè)計(jì)的情況下更改器件的能力