FPGA-PCB管脚同步（2） 设计师, 成本

yuyang911220

老方法和新方法 ：使 FPGA 设计管脚和部件交换成为有利的新现实 考虑到在包括了 FPGA 的设计中管理管脚交换的较高的复杂性和成本，另外一种选择是对所有管脚禁用交换功能，但这样就无法得益于使用 FPGA 的这个关键好处了。
在任何非可编程器件上，大量的管脚给布线带来了很大困难，而 FPGA 可以没有这个问题。FPGA 可以快速方便地改变 IO 信号发生处的管脚，极大改进 PCB 版图，减少 PCB 层的数量和复杂度。利用 FPGA 的可编程特性，多数 PCB 布线问题可以在 FPGA 内部由自动布线工具解决。
因此如果设计师想在正常工作的同时保持竞争力，就需要一种设计工具，能够理解大规模FPGA 器件管脚交换和同步所带来的挑战。他们需要一种设计方法，同时满足 FPGA 和 PCB 开发需求。他们需要超越现有方法的另外一种设计途径。
创建这样的系统需要提供大量特性。例如，现有设计方法要求 PCB 版图专家熟悉 FPGA 设计规范。对于不可重构的器件这是个合理的期望，但 FPGA 本身可编程的特性意味着每个管脚的功能都可根据应用而变。因此单纯地查看器件数据表或管脚输出，PCB 版图专家是无法知道哪个
管脚可以还是不可以被交换的。
一种替代的设计系统应可以让 PCB 版图专家在不知道 FPGA 设计规范的情况下就能够进行管脚交换。FPGA 设计师指定哪些管脚可以交换，再将该信息嵌入到设计数据中。然后 PCB 版图专家把 FPGA 当作一个虚拟的黑盒，然后使用嵌入规则对任何需要交换的管脚作出指导。
由于这种方法需要从 FPGA 设计师的合作来输入相关管脚交换规则，因此需要为该任务提供一些帮助。来自目标FPGA 器件（如 IO 标准、IO 库、驱动强度、信号名等）的综合信息可用来帮助 FPGA 设计师快速创建必要的管脚交换规则。（见图 3）


图 3 使用目标 FPGA 器件的属性来辅助创建管脚交换规则。

由于 PCB 级别的管脚交换主要是减少线路长度和交错的过程，因此一旦定义了管脚规则，执行交换的实际流程就自动解决了。当然人工干预是始终都需要的，但总体来说我们还是希望有自动的管脚交换流程。
最后，一旦管脚交换完成，我们还要无缝地把相关改变传送到 FPGA 设计中，在最终批准以前对设计进行校验。（见图 4）如果违反了定时或其他约束信息，那么设计工具应当预留出进一步约束信息反馈给 PCB 设计师以便和并到另外的更新中。


图 4 一种在 FPGA 和 PCB 文档间传递管脚交换的方法。


选择设计工具时需要考虑什么 采用 FPGA 后，电子产品开发带来了新的机遇，因此设计公司需要一种超越老设计方法的设计工具，可以更好地管理多管脚 FPGA 的复杂度。我们已经不能把板卡设计和版图流程看成与 FPGA 设计流程相分隔的部分。虽然可能是由不同的人员进行操作，但他们最终都是更大的产品开发
流程的一部分，因此需要这样连接起来。
更好的设计工具应该是能够完整地操作整个设计，并使用一种包含所有方面的数据模型。简言之，产品的电子设计应当由单一、统一的设计系统提供服务。
统一设计工具采用本质上完全不同的观点看待设计流程及其操作的数据。由于该工具把电子设计看成单一、无所不包的设计流程，因此所使用的数据模式也更加集中，可容纳 FPGA 器件的所有方面，包括电子、功能和物理特性。
这种模式也超越了一个集成模式，因为它不是将设计流程看作一系列离散而孤立的流程。而是提供 ：
所有开发方面的一个单一设计流程
一个单一、一致的设计"模式"
所用器件的一个单一、一致的设计"模式"
在该模型中，统一设计系统也提供 ：
单一用户界面的单一设计应用
单一设计数据存储模式
可集中访问相关设计信息并运用于任何可能获益的打开的设计中。FPGA 设计师输入的设计数据可自动由 PCB 设计师获得，反过来也是一样。极
大简化了数据传送，因为不需要横跨几个分离的流程进行管理。（见图 5）


图5与图 2 相比。选择具有统一数据存储的统一设计工具。该方法简化了整个设计流程，包括管脚交换。

统一设计系统将设计师从管理复杂的同步工作中解放出来，让他们专注于开发产品的核心特性。如果是那些特性为产品提供了市场差异，那么这就更加重要，因为往往是产品推向市场的速度决定市场份额和最终的利润。
与手动管脚交换和同步流程相比，统一设计工具可带来大量的成本节省。对于低管脚数量的器件，这些节省还算一般，但随着管脚数量不断增加，节省将相当可观。
例如，在一个具有 1760 个管脚的器件上，FPGA 设计师可能要花 1 小时来完成指定管脚交换规则。但一旦这个工作完成，管脚交换和任意数据同步都可以完全自动化。节省成本可达几万美元。（见图 6）
图 6 使用统一设计工具带来的成本节省与手工管脚交换和同步的成本相同，设定管脚交换规则所需的时间更短。
如该图所示，多管脚器件的手工管脚交换成本不断增加。但采用统一设计工具后，唯一的"成本"就是设定管脚交换规则。一旦设定完成，管脚交换和同步就可自动进行，不会给设计带来额外的时间或成本，如果有设计循环，最终可节省更多时间。
FPGA 的广泛使用在未来几年仍将持续，对其复杂度的管理仍然是那些未投资于正确设计工具的厂商的主要障碍。在做出采购决定时，设计统一性应当是关键的考虑因素。
结论 FPGA 在主流电子产品开发中的兴起带来了很多机遇。使用 FPGA 器件仍将带来商业和设计利益，因此必须仔细管理原理图、PCB 和 FPGA 设计中心间管脚交换数据的执行和同步以便充分利用这些好处。
传统设计同步模式把板级和 FPGA 设计活动看作分离的流程，因而不能充分处理大数量管脚FPGA 的复杂度。因此，这花费了核心产品开发中大量的资源和时间，导致公司损失了大量的市场机遇和利润。
统一的设计模式和相关的统一设计工具是最佳解决方案，可管理 FPGA 带来的复杂度和挑战。它可将设计中所有方面封装进单一、统一的模式，在单一的设计应用中即可工作。集中管理设计流程后，诸如管脚交换信息的设计数据可更加有效无缝地在 PCB 和 FPGA 间捕获和同步，因
此设计师可以把时间花在具有更高价值的设计领域中。
FPGA 为那些开发激动人心的电子新产品的公司带来了许多机遇。如果有了统一的电子设计工具，就可以克服使用现代 FPGA 器件带来的不断增长的管理复杂度，更好地利用其优势。