使用Altera Interface Planner高效設(shè)計(jì)FPGA引腳布局

Altera Interface Planner 用于探索設(shè)備的外設(shè)架構(gòu)，并高效地分配接口。通過(guò)實(shí)時(shí)進(jìn)行擬合和合法性檢查，防止非法引腳分配。此方法消除了復(fù)雜的錯(cuò)誤消息，無(wú)需等待完整編譯過(guò)程，因此加快了 I/O 設(shè)計(jì)過(guò)程。本文將介紹 Altera Interface Planner，方便大家使用 Altera Quartus Prime Pro Edition 開(kāi)發(fā)軟件，高效地設(shè)計(jì)引腳布局。

I/O 規(guī)劃中的挑戰(zhàn)

以下為 Altera Interface Planner 的目標(biāo)環(huán)境：

目標(biāo) Quartus Prime：Quartus Prime 專(zhuān)業(yè)版

目標(biāo) FPGA：Quartus Prime 專(zhuān)業(yè)版支持的 FPGA 系列

在現(xiàn)代 FPGA 中創(chuàng)建 I/O 分配主要面臨的挑戰(zhàn)包括：日益復(fù)雜的 I/O 標(biāo)準(zhǔn)和 FPGA I/O 結(jié)構(gòu) (準(zhǔn)確設(shè)計(jì)引腳布局需要更多指導(dǎo)步驟)、PCB 開(kāi)發(fā)與 FPGA 設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行 (或稍早) 和在設(shè)計(jì)周期早期驗(yàn)證引腳分配。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，Quartus Prime 提供了 Pin Planner 和 I/O Assignment Analysis 解決方案。

接下來(lái)創(chuàng)建 I/O 布局規(guī)劃，在下圖 (圖1) 所示的工作流程中，將分別使用 Pin Planner 和 I/O Assignment Analysis。此流程使用 I/O Assignment Analysis 來(lái)分析引腳分配，I/O Assignment Analysis 的準(zhǔn)確性取決于設(shè)計(jì)的完整性。如果檢測(cè)到任何錯(cuò)誤，需要在 Pin Planner 或其他工具中修復(fù)它們，并再次運(yùn)行 I/O Assignment Analysis。如此循環(huán)往復(fù)，直到完成并驗(yàn)證所有 I/O 分配。

Altera 目前支持市場(chǎng)所需的多種協(xié)議，它還支持許多儲(chǔ)存器接口，每個(gè)接口都有自己的放置規(guī)則。設(shè)計(jì)包含的接口越多，規(guī)則和限制就越復(fù)雜。即使工程師認(rèn)為自己已經(jīng)正確地放置了一個(gè)設(shè)計(jì)接口，但只有在完全編譯期間運(yùn)行 Fitter 或 I/O 分配分析時(shí)，才能知道它是否真的正確。如果一個(gè)元素因被放置在無(wú)效位置而導(dǎo)致不符合要求，則完全編譯所花費(fèi)的時(shí)間就會(huì)被浪費(fèi)。

圖1 傳統(tǒng) I/O 規(guī)劃流程

I/O 布局規(guī)劃工作流程

Quartus Prime Pro Edition Interface Planner 是一款引腳布局工具，可根據(jù)引腳布局規(guī)則以圖形方式創(chuàng)建和實(shí)時(shí)驗(yàn)證復(fù)雜的 I/O 接口分配。下圖 (圖2) 顯示了使用 Interface Planner 時(shí)的 I/O 布局規(guī)劃工作流程。

圖2 使用 Interface Planner 的 I/O 規(guī)劃流程

Interface Planner 使用 Fitter 實(shí)時(shí)驗(yàn)證引腳分配，因此雖然需要預(yù)先進(jìn)行邏輯綜合 (Synthesis)，但設(shè)計(jì)不需要完美無(wú)缺。要將界面設(shè)計(jì)分配給設(shè)備的資源，只需拖放或雙擊平面圖即可。創(chuàng)建的分配計(jì)劃將以 TCL 腳本的形式生成并執(zhí)行，并在反映項(xiàng)目后進(jìn)行編譯。

I/O 布局規(guī)劃工作詳細(xì)步驟

接下來(lái)將介紹 Interface Planner 的工作流程詳細(xì)步驟，如下圖 (圖3) 所示。請(qǐng)注意，此時(shí)用戶(hù)應(yīng)已完成引腳分配。

圖3 Interface Planner 工作流程

一、綜合設(shè)計(jì)

在 Quartus Prime Pro Edition (以下簡(jiǎn)稱(chēng) Quartus Prime) 中，從 Processing 菜單或 Compilation Dashboard 運(yùn)行 Analysis & Synthesis，如下圖 (圖4) 所示：

圖4 運(yùn)行分析與綜合

二、啟動(dòng)并初始化 Interface Planner

點(diǎn)擊 Tools 菜單，啟動(dòng) Interface Planner。單擊下圖 (圖5) 所示 Flow 窗格中的 Initialize Interface Planner 以檢查 Fitter 基礎(chǔ)和現(xiàn)有位置分配的有效性。如果存在沖突或違規(guī)，錯(cuò)誤消息將顯示在控制臺(tái)窗格中。

圖5 Initialize Interface Planner

三、檢查導(dǎo)入的任務(wù)并更新計(jì)劃

單擊 Flow 窗格中的 View Assignments。Assignments 選項(xiàng)卡將變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)并列出項(xiàng)目中存在的所有分配，如下圖 (圖6) 所示。接下來(lái)單擊 Flow 窗格中的 Update Plan，已啟用配置的分配將應(yīng)用于設(shè)計(jì)以進(jìn)行規(guī)則檢查。

圖6 View Assignments

四、放置設(shè)計(jì)元素

如下圖 (圖7) 所示，單擊 Flow 窗格中的 Plan Design (Plan 選項(xiàng)卡變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài))。

圖7 Plan Design

如果單擊 Design 窗格中未分配的設(shè)計(jì)元素右側(cè)的按鈕，Legal Locations 窗格中將顯示可分配位置的列表，并且該位置將在 Chip View 中以輪廓顯示。當(dāng)從 Legal Locations 窗格中指定放置位置時(shí)，Chip View 顯示將變成一條對(duì)角線。要確認(rèn)分配位置，請(qǐng)雙擊下圖 (圖8) Legal Locations 窗格中的位置信息。

圖8 確認(rèn)位置 (Legal Locations 窗格)

大家還可以切換到如下圖 (圖9) 所示的 Package View 以查看接口中使用的 I/O 引腳，也可以截取計(jì)劃的屏幕截圖，以便稍后將其與編譯的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。

圖9 Package View

五、驗(yàn)證 I/O 計(jì)劃

完成放置規(guī)范后，單擊下圖 (圖10) Flow 窗格中的 Validate Plan，這將驗(yàn)證已創(chuàng)建的任務(wù)并使其準(zhǔn)備好導(dǎo)出。

圖10 Validate Plan

也可以通過(guò)選擇下圖 (圖11) 中的 Save Floorplan 來(lái)保存當(dāng)前的布局設(shè)置：

圖11 Save Floorplan

六、導(dǎo)出計(jì)劃文件

如下圖 (圖12) 所示，單擊 Flow 窗格中的 Export Constraints 并使用 tcl 腳本保存配置的放置信息：

圖12 Export Constraints

七、導(dǎo)入工程并編譯

關(guān)閉 Interface Planner 并打開(kāi)要導(dǎo)入的 Quartus Prime 項(xiàng)目。從 Tools 菜單 > Tcl Script，如下圖 (圖13) 所示，指定導(dǎo)出的 tcl 文件，然后單擊 Run 以應(yīng)用它。分配信息反映在 Pin Planner 和 Assignment Editor 中，可以輕松查看和最終檢查腳本信息。在運(yùn)行腳本之前可以使用 Edit 按鈕對(duì)其進(jìn)行編輯。例如 Interface Planner 不會(huì)在設(shè)計(jì)中導(dǎo)出所有的分配類(lèi)型，如果只想進(jìn)行引腳分配而不是內(nèi)部資源分配，則可以通過(guò)注釋或刪除它們，從而僅提供腳本的引腳分配部分。

圖13 Tcl Script

接下來(lái)運(yùn)行編譯。由于 Analysis & Synthesis 階段到 Fitter (Finalize) 階段需要很長(zhǎng)時(shí)間才能運(yùn)行，如果只想評(píng)估布局，可以在下圖 (圖14) 的 Compile Dashboard 中啟用 Early Place 選項(xiàng)并執(zhí)行 Early Place 編譯。

圖14 Early Place

編譯完成后，啟動(dòng) Chip Planner (Tools 菜單) 并檢查布局，如下圖 (圖15) 所示：

圖15 啟動(dòng) Chip Planner

總結(jié)

Quartus Prime Pro Edition 的 Interface Planner 消除了為 FPGA 創(chuàng)建專(zhuān)業(yè)規(guī)劃的工作量和難度，特別是日益多樣化和復(fù)雜 I/O 接口，它可允許僅創(chuàng)建有效的位置分配。通過(guò)使用 Altera Interface Planner，可以減少進(jìn)行位置分配所花費(fèi)的時(shí)間。



審核編輯：劉清