多片F(xiàn)PGA原型驗(yàn)證系統(tǒng)互連拓?fù)浞治?/h1>

冬至子?來(lái)源：芯播客?作者：Jacky Yu? 2023-05-23 17:12 ? 次閱讀 ? 個(gè)評(píng)論

多片FPGA的原型驗(yàn)證系統(tǒng)的性能和容量通常受到FPGA間連接的限制。FPGA中有大量的資源，但I(xiàn)O引腳的數(shù)量受封裝技術(shù)的限制，通常只有1000個(gè)左右的用戶(hù)IO引腳。然后，這1000個(gè)引腳需要連接到其他FPGA或板上的外圍設(shè)備，以形成盡可能普遍適用的互連網(wǎng)絡(luò)，但這應(yīng)該是什么樣子？引腳應(yīng)該以菊花鏈環(huán)形排列的形式連接各個(gè)FPGA，還是所有FPGA引腳都應(yīng)該以星形連接在一起？FPGA是否應(yīng)僅鏈接到相鄰的FPGA，或者是否應(yīng)做出一些規(guī)定以鏈接到更多遠(yuǎn)程設(shè)備？

其實(shí)，每中連接方式都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

菊花鏈互連要求信號(hào)通過(guò)FPGA本身以連接遠(yuǎn)程設(shè)備。這種直通連接不僅限制了其他信號(hào)的引腳可用性，而且還顯著增加了整體路徑延遲。依賴(lài)于直通互連的電路板或系統(tǒng)通常比其他類(lèi)型的電路板運(yùn)行得更慢。然而，這樣的電路板可能適合于一種由單個(gè)寬數(shù)據(jù)路徑主導(dǎo)的設(shè)計(jì)，很少或沒(méi)有分支。

星形連接的使用可能更快，因?yàn)槿魏蜦PGA都可以通過(guò)直接導(dǎo)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)任何其他FPGA，但星形連接通常使用FPGA引腳的效率最低。如下圖所示?？梢钥吹揭粋€(gè)簡(jiǎn)單的多路復(fù)用總線(xiàn)上的三個(gè)設(shè)計(jì)塊是如何被劃分為一個(gè)板上四個(gè)FPGA中的三個(gè)，其中板采用基于星形的固定互連。由于直接連接，三個(gè)塊之間的連接將是高速的，但第四個(gè)FPGA上的許多引腳將被浪費(fèi)。

此外， 這些未使用的引腳將需要配置為高阻抗，以便不干擾期望的信號(hào)。 如果第四個(gè)FPGA將用于設(shè)計(jì)的另一部分， 那么這種引腳浪費(fèi)可能非常嚴(yán)重， 并且可能會(huì)對(duì)將設(shè)計(jì)的其余部分映射到剩余資源的能力產(chǎn)生很大影響。

如果電路板是在內(nèi)部設(shè)計(jì)和制造的，我們可以根據(jù)需要精確地安排互連，以滿(mǎn)足原型項(xiàng)目的需求?；ミB通常類(lèi)似于SoC設(shè)計(jì)的頂層框圖，特別是當(dāng)使用原型設(shè)計(jì)方法來(lái)簡(jiǎn)化將頂層SoC塊劃分為FPGA時(shí)。這種自由度可能會(huì)為該原型項(xiàng)目產(chǎn)生最佳的互連布置，但對(duì)于后續(xù)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)可能是次優(yōu)的。此外，如果SoC設(shè)計(jì)在發(fā)展過(guò)程中發(fā)生變化，則在原型項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)修復(fù)互連資源可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。

同樣，具有固定互連的商用原型驗(yàn)證板不太可能滿(mǎn)足給定項(xiàng)目的確切需求，因此需要做出妥協(xié)。典型的在許多商用原型驗(yàn)證板上找到的解決方案是前面提到的直接互連布置之間的混合。

理想的互連拓?fù)涫鞘裁?/p>

我們正在尋求盡可能靈活的互連布置，但要有高性能，并且也可以盡可能地定制，以滿(mǎn)足給定原型項(xiàng)目的互連需求。供應(yīng)商應(yīng)理解這些明顯矛盾的需求所推斷出的妥協(xié)，并應(yīng)盡量選擇適用于盡可能多的最終用戶(hù)項(xiàng)目的最佳互連安排。最靈活的解決方案是使用某種形式的間接互連，其中兩個(gè)最常見(jiàn)的示例如下圖所示。這兩個(gè)例子是延遲互連和交換互連。

在延遲互連拓?fù)渲?，F(xiàn)PGA之間的固定連接相對(duì)較少，但每個(gè)FPGA引腳都被路由到附近的連接器。然后，根據(jù)每個(gè)特定項(xiàng)目的需要，使用其他介質(zhì)（某些類(lèi)型的連接器板或柔性電纜）連接這些連接器。例如，在上圖中，我們看到了一種連接器布置，通過(guò)在每個(gè)FPGA的多個(gè)連接器之間使用連接電纜，可以在FPGA

1和FPGA 4之間進(jìn)行大量連接。如果需要，堆疊連接器仍允許多個(gè)點(diǎn)之間的星形連接。

下圖是基于HAPS的平臺(tái)的示意圖和照片，顯示了使用夾層連接器板和帶狀電纜進(jìn)行的本地和遠(yuǎn)程連接。

連接器的粒度將影響其靈活性，但延遲互連為將FPGA連接在一起以及將FPGA連接到系統(tǒng)的其他部分提供了大量可能性。此外，由于連接不是固定的，因此很容易斷開(kāi)電纜和連接器板，并在下一個(gè)原型項(xiàng)目中以新拓?fù)渲匦逻B接FPGA。

間接互連的第二個(gè)例子是交換互連，它依靠可編程開(kāi)關(guān)將互連的不同部分連接在一起。當(dāng)然，可以使用手動(dòng)開(kāi)關(guān)，但連接密度要低得多，出錯(cuò)的可能性也會(huì)增加。假設(shè)，我們有一個(gè)理想化的中央交換路由矩陣，它可以將任何點(diǎn)連接到電路板上的任何點(diǎn)。該矩陣可編程并配置為滿(mǎn)足任何給定設(shè)計(jì)的分區(qū)和路由需求。由于是可編程的，它還可以在項(xiàng)目之間或甚至在項(xiàng)目期間快速更改，以便輕松探索不同的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。對(duì)于遠(yuǎn)程操作，可能是在另一個(gè)站點(diǎn)的軟件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室，可以將設(shè)計(jì)圖像加載到系統(tǒng)中，并配置交換互連，而無(wú)需任何人接觸原型本身。

交換互連方法的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是它非?？焖偾乙子诟?，因此用戶(hù)不必認(rèn)為互連是靜態(tài)的，而是更動(dòng)態(tài)的。在將設(shè)計(jì)配置到板上之后，仍然可以將未使用的引腳或其他連接路由到其他點(diǎn)，例如，允許快速探索解決方案或調(diào)試方案，或?qū)㈩~外信號(hào)路由到測(cè)試和調(diào)試端口。

交換互連的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以將交換機(jī)的編程置于設(shè)計(jì)劃分工具的控制之下。在這種情況下，如果分區(qū)器意識(shí)到，為了實(shí)現(xiàn)最佳分區(qū)，它需要某些FPGA之間的更多連接，它可以立即執(zhí)行該選項(xiàng)，同時(shí)使用這些修改的互連資源繼續(xù)分區(qū)任務(wù)。在這些場(chǎng)景中，細(xì)粒度的交換機(jī)結(jié)構(gòu)非常有用，因此可以盡可能少地進(jìn)行必要的連接來(lái)解決分區(qū)問(wèn)題，同時(shí)仍然允許其他地方使用其余的本地連接。

如上圖所示。這里我們可以看到，除了同一板上的FPGA之間的固定跡線(xiàn)之外，還有可編程開(kāi)關(guān)，可用于通過(guò)附加跡線(xiàn)連接FPGA。類(lèi)似的交換機(jī)可以將內(nèi)存模塊鏈接到平臺(tái)或鏈接到其他板或平臺(tái)，從而構(gòu)建具有更多FPGA的更大系統(tǒng)。并非所有的交換機(jī)組合都是合理的，而且在大多數(shù)情況下，由于它們太多，無(wú)法手動(dòng)控制，因此它們由軟件自動(dòng)配置，軟件也了解系統(tǒng)拓?fù)浜头謪^(qū)要求。

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