FPGA架构下的硬件系统设计指南

FPGA总体设计

—硬件相关

      FPGA在项目开始阶段需要考虑的设计主要有3大方面：一个是硬件做板相关的FPGA升级电路的设计以及外围IO设计；一个是与软件配合相关的软硬件接口设计；一个是FPGA内部的逻辑功能规划。本文先针对硬件设计相关进行阐述：

      升级电路的设计：FPGA的好处就是产品发布后还能进行功能升级以及功能修改，但在客户那里应该没有人会愿意打开机箱进行升级，这时就要设计可靠的升级通路。

1） 板上有配置器件：如果上电后FPGA需要快速配置，这时一般会采用SPI FLASH的配置方式，这时我们就要设计一个电路如何更新SPI FLASH，如果板上有CPU，可以直接写SPI FLASH，这种一般即使写错了，校验后重新写就好了。如果板上没有CPU，那FPGA内部或者配套的CPLD就要预留写FLASH的通路。这个通路实际上就是设计一个用户接口到SPI接口的桥接器，xilinx 7系列以后的器件官方都提供了参考设计，而且支持SPI Flash中存入2个映像，其中一个是升级失败后起机的golden映像（否则升级文件写错，板就变成砖头了），虽然xilinx提供参考设计，但那只是针对SPI FLASH的操作，用户还要设计预留通道与这个控制器对接，比如以太、SPI之类。这时配合的软件就要考虑丢包、错包这些影响，要保证文件都正确写入FLASH。Altera公司应该也是提供类似东西，原理上总是相通的。但quartus能写入的一般都是自己的FLASH，否则就需要外接一个CPLD做配置电路，注意这个CPLD必须Altera自己的，否则不能用他的配置IP。

2） 板上如果没有配置器件，那CPU直接通过被动配置方式进行配置，就是控制programe、status、DIN那几根线，CPU照时序做就好，缺点是CPU必须起来后才能进行配置。

3） 目前还有一种配置就是通过PCIE接口，这个设计在电路上有一定要求，FPGA只需要挂接一个很小的SPI FLASH保存PCIE硬核的设置就好，起机后再把其他的功能映像从CPU端载入，这种一般再新的器件会支持，需要查看手册详细说明，不同器件再PCIE的复位以及其他引脚设计上还有要求。

这种配置一般用在PCIE的加速卡中，因为上电后系统会对PCIE设备进行扫描，一种好的做法就是通过SPI FLASH快速载入PCIE相关的映像，让枚举软件看到FPGA，CPU完全起机后，再把需要的功能配置进去。

硬件相关的第2个设计是外围IO的设计，包括VCCIO的电源连接、IO位置的分配、serdes的连接等。

虽然FPGA号称IO可以支持多种标准电平，但也不是可以随心所欲，特别是用到DDR3这些接口时。一种就是使劲看DS，但个人觉得太慢。好的做法是，建立一个demo工程，例化那些可能用到的外围IO IP，比如DDR，PCIE，以太接口等，把这些examle放在一个代码中不被优化掉，编译通过的话，一般IO分配就没问题了，有问题再看文档修改。编译通过后从工程导出IO配置的CSV文件，xilinx的会比较详细说明每个引脚的连接方式，包括端接等。Altera在工程目录下有个.pin文件，似乎也有类似说明。有了这个文件基本上可以保证做板不会范大错了。

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