將ARM AXI4用于FPGA 把恒星裝入瓶中

　　同時，ADC 以 DDR 格式提供數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)在時鐘上升沿和下降沿均有效。要把這些數(shù)據(jù)恢復(fù)為單數(shù)據(jù)速率 (SDR)，需要使用被硬連線在 I/O 焊盤上的 IDDR 原語。它有一個單數(shù)據(jù)引腳輸入，兩個數(shù)據(jù)引腳輸出。我們使用 SAME_EDGE_PIPELINED 屬性，保證數(shù)據(jù)同時在兩個引腳上都有效，這樣可以減少其它邏輯。這樣做會增加一個時延周期，但對我們來說這點時延可以接受。

　　賽靈思架構(gòu)另一個對我們有幫助的功能是 FPGA 夾層卡 (FMC) 接插件。嚴格地說，這并非是 FPGA 的一項特有功能，而是 FPGA 板的一項特有功能。即便如此，經(jīng)實踐證明這是一項非常有用的功能，能夠與 Virtex-6 有效配合。FMC 接插件包含高頻時鐘引腳，可以連接到 ML605 板上 Virtex-6 的時鐘功能引腳上。這樣可以通過 FMC 把時鐘信號發(fā)送到 FPGA 中。這種做法的優(yōu)勢在于我們只需要一個時鐘進入點。

　　使用賽靈思工具套件

　　賽靈思提供了許多有助于 FPGA 系統(tǒng)開發(fā)的工具。我們用過的不在少數(shù)。

　　我們使用項目瀏覽器進行手動 VHDL 和 Verilog 編碼。此外，可以利用其圖形界面生成“原理圖”，用于可視化地創(chuàng)建邏輯。不過我們發(fā)現(xiàn)項目瀏覽器是一個底層工具，雖然我們可以輕松地完成觸發(fā)器(單數(shù)位)運算，但擴展到更大數(shù)位的運算就會變得相當(dāng)復(fù)雜。我們發(fā)現(xiàn) 項目瀏覽器對底層時鐘設(shè)計最有用。它能夠讓我們準確地控制由哪個時鐘驅(qū)動特定的邏輯。

　　對于高級邏輯設(shè)計，我們使用系統(tǒng)生成器。它特別適用于邏輯由單一時鐘頻率驅(qū)動的設(shè)計(但不局限于這種情況)。系統(tǒng)生成器使用簡單，能夠訪問大量 IP 核，比如 FFT、除法器生成器和濾波器。另外，可以把邏輯輕松地連接到 MicroBlaze 處理器中，用作讀/寫寄存器和共享存儲器。該工具能夠自動創(chuàng)建外設(shè)核心 (PCore)，并將其添加到 XPS 項目中。

　　我們使用 CORE Generator™ 調(diào)節(jié) ADC FIFO 的參數(shù)。FIFO 必須是 256 位寬度，寫入時鐘125MHz，讀取時鐘 200MHz。我們把最后生成的 NGC 文件導(dǎo)入到 XPS 中用作 PCore。我們通過創(chuàng)建必要的 .mpd、.pao 和 .bbd 文件來手動完成這項工作。

　　Impact 工具可以幫助我們對 FPGA 編程，還能生成 SystemACETM 文件，用于將固件永久存入壓縮閃存 (CompactFlash) 中。壓縮閃存的工作非常可靠，但值得注意的是它會給我們的系統(tǒng)提出一項額外的要求(見下面的 SDK 一段)。

　　由于我們需要在我們的系統(tǒng)中植入 MicroBlaze 處理器，因此我們需要可創(chuàng)建該處理器系統(tǒng)的工具，即賽靈思 Platform Studio。XPS 是一種全面的工具套件，可以讓用戶創(chuàng)建以處理器為中心的系統(tǒng)。在它的幫助下，用戶可以借助向?qū)斫⑺璧逆溄?。用戶還可以使用 Create IP 向?qū)е踩胗?CORE Generator 生成的 IP 核。它現(xiàn)在還包含高性能 AXI4 片上互聯(lián)。

　　最后，我們使用賽靈思軟件開發(fā)套件 (SDK) 來開發(fā)運行在處理器上的程序。實際上，開始的時候我們只需要運行一個程序，就是 SREC 引導(dǎo)程序。由于壓縮閃存使用的是 FAT 文件系統(tǒng)，所以用于訪問 SREC 程序(也在閃存上)的庫文件會使生成的可執(zhí)行文件變大。我們需要停止調(diào)試，進行優(yōu)化，并使用“mbstrip –g ”作為編譯后命令，來縮小文件的大小。即使完成所有這些步驟后，我們得到的仍然是一個比較大的 91Kb 的可執(zhí)行文件。因此，我們必須增加內(nèi)部 BRAM，才能使用這樣大小的可執(zhí)行文件初始化比特流。

　　另一個需要解決的問題是 Virtex-6 的編譯時間太長。賽靈思的軟件 PlanAheadTM 能夠有力地幫助解決這個問題。我們準備讓 PlanAhead 發(fā)揮出極致，來縮短編譯時間。

　　我們對新型 Zynq™-7000 可擴展處理平臺的新功能感到歡欣鼓舞(見第 75 期 Xcell 雜志的封面報道)。不過，Zynq 是否會淘汰 MicroBlaze，還是 MicroBlaze 能夠憑借其自身的軟特性和 10 余年的開發(fā)基礎(chǔ)繼續(xù)生存下去，都還有待觀察。將來的緩存一致型多處理器 MicroBlaze 系統(tǒng)能否超越 ARM® 雙核 CortexTM-A9 MPCoreTM 的性能呢?Zynq 或MicroBlaze 的物理地址擴展能否促成地址空間超過 32 位的更強大的系統(tǒng)，從而實現(xiàn) 4Gb以上的 RAM 呢?我們只需等待，看時間如何回答這個問題。

　　尖端系統(tǒng)

　　最后，我們采用最先進的賽靈思技術(shù)，開發(fā)出了一套在 FPGA 領(lǐng)域中處于尖端地位的全功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(見圖 5)。它的實時采集速度可達 10Gbps(或者 80Gbps)，而最后的成本只有不足 1.5 萬美元。我們希望這項技術(shù)能夠用于世界上最大的聚變實驗項目，比如 ITER 項目(圖 6)。

　　圖 6：該 ITER 托卡馬克裝置目前正在法國南部建造，建成后能夠產(chǎn)生 500 兆瓦巨變能，可為聚變電站的建立打下堅實的基礎(chǔ)。

　　聚變能是人類試圖克服的最艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。FPGA 憑借其在各個方面獨特的優(yōu)勢，正在幫助我們攻克這個難題。我們的聚變研究設(shè)備使用最先進的 AXI4 互聯(lián)技術(shù)和賽靈思工具流程，通過融合 Virtex-6 FPGA 的性能優(yōu)勢，能夠在小巧緊湊的系統(tǒng)上實現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)率。

　　這個新網(wǎng)站(http://fusion.phys.tue.nl/fpga/doku.php)將成為溝通思路和交換材料的絕佳場所，可幫助人們更好地將 FPGA 技術(shù)應(yīng)用于聚變設(shè)備的開發(fā)。