克服FPGA I/O引腳分配挑戰(zhàn)(08-100)

 　　對(duì)于需要在PCB板上使用大規(guī)模FPGA器件的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，I/O引腳分配是必須面對(duì)的眾多挑戰(zhàn)之一。 由于眾多原因，許多設(shè)計(jì)人員發(fā)表為大型FPGA器件和高級(jí)BGA封裝確定I/O引腳配置或布局方案越來(lái)越困難。 但是組合運(yùn)用多種智能I/O規(guī)劃工具，能夠使引腳分配過程變得更輕松。

　　在PCB上定義FPGA器件的I/O引腳布局是一項(xiàng)艱巨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，即可能幫助設(shè)計(jì)快速完成，也有可能造成設(shè)計(jì)失敗。 在此過程中必須平衡FPGA 和 PCB兩方面的要求，同時(shí)還要并行完成兩者的設(shè)計(jì)。 如果僅僅針對(duì)PCB或FPGA進(jìn)行引腳布局優(yōu)化，那么可能在另一方面引起設(shè)計(jì)問題。

　　為了解引腳分配所引起的后果，需要以可視化形式顯示出PCB布局和FPGA物理器件引腳，以及內(nèi)部FPGA I/O點(diǎn)和相關(guān)資源。 不幸的是，到今天為止還沒有單個(gè)工具或方法能夠同時(shí)滿足所有這些協(xié)同設(shè)計(jì)需求。

　　然而，可以結(jié)合不同的技術(shù)和策略來(lái)優(yōu)化引腳規(guī)劃流程并積極采用Xilinx PinAhead技術(shù)等新協(xié)同設(shè)計(jì)工具來(lái)發(fā)展出一套有效的引腳分配和布局方法。 賽靈思公司在ISE軟件設(shè)計(jì)套件10.1版中包含了PinAhead。

　　賽靈思公司開發(fā)了一種規(guī)則驅(qū)動(dòng)的方法。首先根據(jù)PCB和FPGA設(shè)計(jì)要求定義一套初始引腳布局，這樣利用與最終版本非常接近的引腳布局設(shè)計(jì)小組就可以盡可能早地開始各自的設(shè)計(jì)流程。 如果在設(shè)計(jì)流程的后期由于PCB布線或內(nèi)部FPGA性能問題而需要進(jìn)行調(diào)整，在采用這一方法晨這些問題通常也已經(jīng)局部化了，只需要在PCB或FPGA設(shè)計(jì)中進(jìn)行很小的設(shè)計(jì)修改。

　　步驟1： 評(píng)估設(shè)計(jì)參數(shù)

　　那么，從哪里開始呢? 首先應(yīng)當(dāng)盡早制定I/O分配策略。 但沒有優(yōu)化工具或完整的網(wǎng)表，完成這一任務(wù)可能很困難。

　　首先，讓我們先回答幾個(gè)問題來(lái)確定PCB物理參數(shù)和限制：

　　* PCB板有幾層、走線寬度以及過孔尺寸多大?

　　* PCB參數(shù)對(duì)可使用的FPGA封裝類型(如BGA)有限制嗎?

　　* PCB上有沒有FPGA必須使用的固定接口位置? 其它芯片、連接器或布局限制?

　　* 哪些高速接口需要特別關(guān)注?

　　能否將布局策略可視化，從而保證最短互連?

　　你會(huì)發(fā)現(xiàn)畫一張PCB布局圖很有幫助。PCB布局圖上應(yīng)當(dāng)包括所有主要元器件以及關(guān)鍵接口和總線，從而可以幫助確定最佳的FPGA引腳分配。 請(qǐng)注意將元器件畫在PCB板的實(shí)際安裝面上。 標(biāo)注出需要特別關(guān)注的接口，如高速總線和差分對(duì)(圖1)。

　　下一步，檢查FPGA器件的布局來(lái)了解芯片上的物理資源所在。 列出設(shè)計(jì)中使用的不同電壓和時(shí)鐘，開始隔離設(shè)計(jì)需要的接口。 然后確定設(shè)計(jì)是否使用特殊的I/O接口資源，如千兆收發(fā)器(GT)、BUFR、IODELAY以及數(shù)字時(shí)鐘管理器。這些資源可能需要將有關(guān)的I/O引腳布署得盡量互相靠近。

　　現(xiàn)在需要確定設(shè)計(jì)中使用的PowerPC、DSP48和RAM16等FPGA資源的位置。 將連接到I/O組的任何相關(guān)I/O盡量置于盡相關(guān)資源最近的地方。 然后看一下能否將某些I/O信號(hào)組合到接口，這對(duì)于引腳分配很有幫助。 最后，確定FPGA的配置模式。