關(guān)于FPGA原型驗(yàn)證系統(tǒng)的常見接口介紹

文章首發(fā)于《中國(guó)集成電路》，由國(guó)家工業(yè)和信息化部主管，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)主辦的官方專業(yè)期刊。感謝《中國(guó)集成電路》對(duì)芯華章的認(rèn)可！ FPGA(Field Programmable Gate Array)原型驗(yàn)證，基于其成本適中、速率接近真實(shí)系統(tǒng)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，受到了驗(yàn)證工程師的青睞。正是由于廣泛豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，F(xiàn)PGA 原型系統(tǒng)上往往需要設(shè)計(jì)各種不同的接口，用以和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的交換互通，滿足不同的使用需求。不同的接口設(shè)置與選擇，也會(huì)極大影響原型驗(yàn)證系統(tǒng)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍以及驗(yàn)證效率。因此，如何合理規(guī)劃接口設(shè)置，就成為了一款優(yōu)秀的原型驗(yàn)證系統(tǒng)必須要考慮的重要問題。 首先和大家介紹下目前常見的接口類型。

子卡擴(kuò)展接口

考慮到使用場(chǎng)景通用性，一套原型平臺(tái)不可能覆蓋到所有協(xié)議接口，因此會(huì)布局一些用于擴(kuò)展特定功能子卡的連接器，支持各類協(xié)議。這類接口少則幾個(gè)，多達(dá)幾十個(gè)。

多FPGA互聯(lián)接口

在較大的邏輯設(shè)計(jì)中，用于多片F(xiàn)PGA 切割處的互聯(lián)IO之間的連接，一般通過互聯(lián)電路板或特制線纜這兩種形式進(jìn)行互聯(lián)。此類接口和上一點(diǎn)談到的子卡擴(kuò)展接口往往能夠兼容使用。

高速接口GTH/GTY

用來和外部高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌吩O(shè)備或測(cè)試儀器相連；接口形式包括如PCI Express、QSFP+、MiniSAS等等。

時(shí)鐘輸入/輸出接口

原型系統(tǒng)自身產(chǎn)生時(shí)鐘輸出到外部的設(shè)備或其他原型系統(tǒng)的通道；反之，也可以接收外部輸入的時(shí)鐘源。在多個(gè)系統(tǒng)互聯(lián)時(shí)，起到時(shí)鐘同步的作用。

低速接口

FPGA原型系統(tǒng)通過其連接調(diào)試上位機(jī)、不同協(xié)議的仿真器及邏輯分析儀、低速外設(shè)元件等，包括JTAG、UART、I2C、SPI、GPIO、PMOD等。

關(guān)于“擴(kuò)展子卡和用于多片F(xiàn)PGA IO互聯(lián)的接口”

此類應(yīng)用場(chǎng)景最為普遍，我們先列出幾種業(yè)界較為主流的用于該類功能的連接器：

1

PHC連接器

PHC連接器的全稱為Prototyping High-performance Connector. 從信號(hào)的組成來看，其種類較為豐富，包含了電源信號(hào)(含管理信號(hào))、接地信號(hào)、I2C信號(hào)（地址/時(shí)鐘/數(shù)據(jù)）、全局時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)及保留信號(hào)。

以芯華章科技(X-EPIC)出品的樺捷HuaPro-P1 高性能FPGA原型驗(yàn)證系統(tǒng)為例，上面搭載了48個(gè)PHC連接器；每個(gè)PHC連接器的可用IO為50個(gè)。經(jīng)過實(shí)測(cè)，HuaPro-P1 PHC 連接器IO的單端數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)到1.4Gbps，處于業(yè)界領(lǐng)先水平。

PHC連接器的好處是顆粒度小，使用方便靈活，對(duì)于寶貴及有限的FPGA IO資源，能夠做到高利用率而不造成浪費(fèi)。

2

FMC連接器

FMC的英文全稱為FPGA Mezzanine Card。而這里談到的FMC連接器（FMC Connector）是其中的組成部分，遵循 VITA 57.1 標(biāo)準(zhǔn)；

按物理Pin的數(shù)量來區(qū)分，包括400 Pin的FMC HPC（high pin connector）及160 Pin的FMC LPC（low pin connector）兩種。

圖1：母板上適用的FMC母頭插座

圖2: 子卡上適用的FMC公頭插座

總體上看，F(xiàn)MC接口從標(biāo)準(zhǔn)上就是為“扣板”形式而定義的，對(duì)線纜連接的支持不太理想，成本高而且容易損壞。

3

Prodigy連接器

Prodigy為部分廠商的FPGA系統(tǒng)所采用的連接器，總體看，其信號(hào)組成及電氣特性同F(xiàn)MC連接器相仿，區(qū)別在于體積略小和總的信號(hào)數(shù)量相應(yīng)減少。

綜合考慮上述三種連接器的特性，目前看，以PHC連接器的“小型、靈活”的特點(diǎn)，更加適合于子卡的擴(kuò)展及FPGA系統(tǒng)之間進(jìn)行互聯(lián)布局。

其主要的原因是：

連接器比較小巧，則在進(jìn)行線纜或子卡插拔的時(shí)候，更容易操作；

其次，連接線纜不會(huì)很粗，布局起來更方便走線；

PHC連接器的顆粒度小，那么在子卡的使用率上，IO使用率最高；不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)大連接器占用很多IO，但實(shí)際只用到其中一部分，從而造成系統(tǒng)性浪費(fèi)的風(fēng)險(xiǎn)；

根據(jù)實(shí)際情況，可以定制PHC轉(zhuǎn)其他連接器的轉(zhuǎn)接卡(比如FMC或用戶自定義接口)，這樣對(duì)于用戶已有的子卡，可以繼續(xù)兼容使用而不造成浪費(fèi)；

最后，互聯(lián)線纜的成本都不低，從幾十、幾百乃至幾千美金一根；而包含IO數(shù)較少的電纜，在成本方面有優(yōu)勢(shì)，一旦出現(xiàn)有損壞、老化的情況，以單根電纜為單位更換的成本最低。

高速接口GTH/GTY

新技術(shù)發(fā)展下的FPGA芯片，都已基本帶有高速Serdes通道。Serdes，是英文Serializer(串行器)/Deserializer(解串器)的簡(jiǎn)稱。它采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Point to Point）的串行通信技術(shù)，充分利用傳輸媒體的信道容量，減少所需的傳輸信道和器件引腳數(shù)目，提升信號(hào)的傳輸速度，從而降低通信成本。這些通道往往也以不同的接口方式連接到FPGA原型系統(tǒng)的接口上。其中包括了PCIE/SATA/Ethernet/QSFP+/MiniSAS和MCIO等。通過對(duì)應(yīng)的不同接口cable，能夠和外部的高速設(shè)備或是儀器進(jìn)行連接。

1

PCIe（Peripheral Component Intercon-

nect express）是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，獨(dú)占通道帶寬；傳輸高速可靠。目前市售的，較為高端的FPGA芯片都原生支持PCIe傳輸協(xié)議。HuaPro-P1系統(tǒng)自帶 PCIe 3.0的接口可以實(shí)現(xiàn)雙向 128Gbps的高速數(shù)據(jù)傳輸。

2

QSFP+ 是一種能夠支持熱插拔的光模塊，結(jié)構(gòu)緊湊，因其包含四條高速通道，故傳輸速率可達(dá)40Gbps。QSFP+ 在High Performance Network，Data Center等場(chǎng)景應(yīng)用廣泛。從協(xié)議上看，QSFP+支持的是SFF-8436協(xié)議和QSFP 多源協(xié)議。

由于光模塊優(yōu)越的物理特性，它能夠把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過光纖達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男Ч?，然后在?duì)端再轉(zhuǎn)回電信號(hào)；并且這樣也不會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。

3

另一種較為常見的高速傳輸?shù)慕涌跒镸ini SAS。Mini SAS連接器符合SFF-8643標(biāo)準(zhǔn)，是一款36針的高密度SAS連接器，符合最新的SAS 3.0規(guī)范，并支持12Gb/s數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。支持最多4通道的高速數(shù)據(jù)傳輸。一種典型的應(yīng)用是Host PC通過Mini SAS的cable連接到FPGA原型系統(tǒng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和FPGA之間高速通信，達(dá)到軟硬件協(xié)同驗(yàn)證的目的。

時(shí)下熱門的Chiplet技術(shù)和高速接口也有著很大的聯(lián)系，因?yàn)槁闫g的超短距離和鏈路上（裸片間互聯(lián)）數(shù)據(jù)傳輸速率將超過100Gbps。這在普通接口上的實(shí)現(xiàn)是個(gè)幾乎不可能完成的任務(wù)；而擁有高速傳輸通道的FPGA平臺(tái)為Chiplet互連的驗(yàn)證提供了很大的可能性。

值得一提的是，芯華章科技(X-EPIC)出品的樺捷HuaPro-P1 高性能FPGA原型驗(yàn)證系統(tǒng)，規(guī)劃時(shí)候充分考慮了用戶的潛在高速應(yīng)用需求，因此，在系統(tǒng)的主體已經(jīng)集成了上述三種高速接口；而市面上其他的原型系統(tǒng)，很少有做到同時(shí)集成，一般需要外接子卡才能使用；這樣在進(jìn)行如服務(wù)器機(jī)架部署的時(shí)候，在空間上產(chǎn)生一定的阻礙及局限性。

時(shí)鐘輸入/輸出接口

現(xiàn)代的芯片設(shè)計(jì)規(guī)模日益增大，通常有用到多個(gè)FPGA系統(tǒng)級(jí)聯(lián)使用的情況，除了前述數(shù)據(jù)通道的傳輸，還有一個(gè)必要的部分就是進(jìn)行時(shí)鐘的傳輸。這對(duì)于同步數(shù)字系統(tǒng)尤為重要。

1

一種方式是采用獨(dú)立走線的同軸射頻連接器；常見的如SMA，SMB，MMCX等接口；當(dāng)多路時(shí)鐘傳輸時(shí)，因?yàn)榫€束以‘對(duì)’的方式單獨(dú)走線，故會(huì)顯得比較雜亂。

2

另外一種更優(yōu)化的傳輸方式是采用如下的連接器：Samtec出品的 Q Strip High-Speed Ground Plane Socket Strip；它可以同時(shí)傳輸多路時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)；且只需要一根扁平形狀的電纜接口。在整個(gè)布局上較為簡(jiǎn)便、美觀。芯華章HuaPro-P1系統(tǒng)采用這種連接器，并支持最大16臺(tái)P1系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)。

低速接口

最后我們來看一下FPGA系統(tǒng)上常用的低速接口：

1

JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測(cè)試工作組）接口

主流分為若干種不同IO數(shù)，用以FPGA 廠商的JTAG調(diào)試器、ARM 調(diào)試仿真器等連接使用。JTAG調(diào)試接口必須使用VCC、GND電源信號(hào)，以及TMS、TCK、TDI、TDO四根調(diào)試信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。隨著可用針數(shù)增大，另外可選TRST、RESET復(fù)位信號(hào)和RTCK（同步時(shí)鐘）信號(hào)。

2

UART接口

通用異步收發(fā)器 （Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）,以一種串行形式的，全雙工異步通信協(xié)議。其通信格式分為起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位和空閑位等。通過UART接口，F(xiàn)PGA系統(tǒng)和Host上位機(jī)相連，可以發(fā)送硬件測(cè)試中的調(diào)試log信息到主機(jī)中；相反，主機(jī)也可以通過UART口下發(fā)一些測(cè)試命令及少量的測(cè)試數(shù)據(jù)到FPGA中去。

3

I2C 接口

最早由飛利浦公司開發(fā)的雙向的二進(jìn)制雙線同步串行總線，它屬于一種半雙工模式；只需SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時(shí)鐘線）即可連接位于總線上的器件。它的好處是電路接口簡(jiǎn)單，總線長(zhǎng)度達(dá)25英尺和支持組件多達(dá)40個(gè)。在通常的FPGA開發(fā)中，I2C往往被用來連接EEPROM或LED顯示屏、傳感器等元件。

4

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設(shè)備接口）通訊協(xié)議

一種同步的串行接口，需用四根管腳用來控制及數(shù)據(jù)傳輸，廣泛用于EEPROM、Flash、ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）及數(shù)字信號(hào)解碼器上，是比較常用及較為重要的通訊協(xié)議之一。

針對(duì)用戶對(duì)于低速接口的需求，HuaPro-P1系統(tǒng)配套的GPIO子卡，單卡上集成了例如多種JTAG、UART、CAN、DB9等接口，同時(shí)也支持如1.8V/2.5V/3.3V/5V多種電壓的GPIO，用戶只需通過一些簡(jiǎn)單的跳線設(shè)置就可以兼容支持。

小結(jié)

以上就是關(guān)于FPGA原型驗(yàn)證系統(tǒng)的常見接口介紹。各種接口，不論尺寸大小、速度快慢都有其獨(dú)到的作用?；谶@些五花八門的接口，對(duì)用戶來說若要人工手動(dòng)去做原型項(xiàng)目分割、IO復(fù)用和時(shí)鐘處理等工作，是非常麻煩的；因此還是需要原型系統(tǒng)的配套軟件工具具有從ASIC設(shè)計(jì)到FPGA設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換、FPGA綜合、自動(dòng)分割、自動(dòng)化后處理等上述這些技術(shù)要點(diǎn)的能力。

用戶在選擇原型產(chǎn)品的時(shí)候，需從長(zhǎng)遠(yuǎn)使用狀況，綜合考慮選用擴(kuò)展能力強(qiáng)、支持外部協(xié)議豐富、子卡/線纜配件成本相對(duì)較低，互聯(lián)形式靈活、方便，及配套軟件自動(dòng)化集成度高的產(chǎn)品。芯華章的HuaPro系列FPGA原型系統(tǒng)產(chǎn)品，給用戶提供了軟硬件全套的FPGA原型實(shí)現(xiàn)工具和平臺(tái)，能夠幫助客戶最快完成系統(tǒng)集成驗(yàn)證和軟件提前開發(fā)的工作。

審核編輯 ：李倩