FPGA的设计艺术（9）FPGA开发技巧与工程管理_专栏

前言

阅读一段话：

产品开发工程师对公司的未来成功与产品对当前的成功一样重要。将工程师，受过高等教育的技术专家视为商品，会降低团队士气，并不可避免地影响项目进度和质量。在竞标一个项目以赢得业务的情况下，期望或要求工程师无偿加班来弥补差额并不是公司长期成功的途径。

是不是深有同感，这是工程管理理念的一部分，本文最后提出了一系列值得每个公司管理者需要长远考虑的问题，你要打造一个什么样的团队乃至公司？你要如何管理？
在此之前，还是先看有关FPGA开发有关的内容，这是工程师、开发者的日常。

设计技巧和常见错误

FPGA开发包括数字设计，代码设计和印刷电路板（PCB）设计元素。以下段落介绍了这些领域中的一些最佳做法和常见错误。

PCB设计

设备配置：确定FPGA配置源和JTAG访问的方法。 JTAG链中允许有多个设备(当链中的设备不是来自同一家族或制造商时，请格外小心)。确保访问配置模式控制引脚。
时钟输入引脚：专用时钟输入引脚可轻松访问内部全局时钟布线资源。
供应商IP引脚：在PCB布局之前构建供应商IP。诸如DRAM控制器之类的复杂IP具有非常特殊的时序和PCB布局约束。 PCB设计人员使用工具生成的引脚分配，并进行尽可能少的更改。任何更改都将反馈到综合工具以验证可接受性。在PCB制造之前执行此操作。
数据流。考虑通过FPGA传输的数据。某些FPGA架构在一定方向上的数据传输效率更高，例如从左到右，进位从上到下移动。分配用于物理架构的引脚可以提高资源使用效率。
电气标准。尽管FPGA有多个IO库，但是在单个库中可以混合使用哪些IO标准是有限制的。尝试在FPGA Bank中混合不兼容的IO标准是一个常见错误，在PCB布局完成后很难发现。
同步开关输出（SSO）：每个IO bank的汲取电流量受到限制。如果同时更改太多输出，则bank可能需要的电流超过可用电流。使用Xilinx Virtex-4 FPGA的同步开关输出（SSO）分析是对此主题的一个很好的展示。

上述链接截图：

功耗分配：阅读并注意有关电源电压，sequencing和去耦的制造商建议。
调试支持：测试连接器与设计中最大的总线一样大，加上一些控制信号，可以在integration过程中提供令人难以置信的洞察力。

数字设计

有些工程师似乎认为，HDL让他们编写的软件可以神奇地成为FPGA中的数字设计。其实不然。数字设计技术是开发FPGA的关键技能。无论使用哪种工具或语言，糟糕的数字设计都会导致糟糕的产品。

下面给出几条数字设计的建议：

层次结构：将设计分成足够小的单元，以用描述其作用的名称进行标记。
模块设计：一个常见的错误是无效的模块或接口定义。
跨时钟域（CDC）。每个设计单元或组件应具有一个时钟（如果设计单元具有多个时钟，则需要跨时钟）。在设计单元之间移动数据和/或信号需要特别注意CDC。
同步设计：FPGA需要同步设计技术。所有FPGA制造商都建议同步设计。如果您的设计不同步，则制造商的支持人员将竭诚为您提供帮助。同步设计消除了通过不同逻辑路径与速度变化相关的问题。通过以规定的时间间隔对信号进行采样，可以以简单的方式处理快路径和慢路径。它们在各种工艺，电压和温度（PVT）的变化中都能很好地工作，并且易于迁移到新技术。 Bob Zeidman在《 CPLD和FPGA设计简介》中介绍了一套简洁的同步设计规则。

同步设计简单的说就是所有的数据都通过组合逻辑和触发器，同步到一个时钟上。
延迟始终由触发器控制，而不是组合逻辑。
任何由组合逻辑产生的信号，如果不先经过同步触发器，就不能反馈到同一组组合逻辑中。
时钟不能被门控--换句话说，时钟必须直接进入触发器的时钟输入，而不需要经过任何组合逻辑。
系统只有一个时钟。不要为实体或进程提供其他实体或进程的输出时钟。（这里是VHDL里的说法，在Verilog中可以理解为一个模块（无论多小的模块）的输出不能作为另一个模块的时钟）。

同步设计计数器示例：纹波计数器

纹波计数器使用一个电路的数据输出作为另一电路的时钟输入。这违反了规则5；不要为另一个电路的输出提供时钟。这种非同步设计使用较少的逻辑进行计数，并且在时钟速度较慢时还可以，但在时钟速度较高时可能会造成灾难性的后果。考虑到在Fclk = 100MHz（Tclk = 10ns）和Tpd = 1ns的情况下，一个12级波纹计数器将在多个时钟周期内改变位！产生的故障输出是确定性的。

波纹计数器

减少编码时的不确定性。

避免这样做，因为它会导致潜在的缺陷。在开始在HDL中编码设计之前，你应该对你想要的功能有一个清晰的了解。

Verilog/VHDL编码

推断的锁存器：推断的锁存器警告是工具告诉你，设计者没有有效地传达他们的意图。为了完成所描述行为的等式，工具必须添加一个设计者没有要求的内存元素! 通过在进程中为信号分配默认值（case），并在if语句中加入 else子句来避免这种情况。
敏感列表
变量：可合成的HDL不是软件。变量可以是功能强大的工具，但它们可以吸引那些无所顾忌的人来编写软件，而不用描述数字设计。如果有变量，请查找错误。

参考：

Ripple Counter

仿真

仿真需要花更多的时间，但是投资回报率很高。主要的好处是，在进行上板之前，您知道FPGA功能是正确的。

为什么仿真？

功能仿真证明，HDL描述的设计符合要求。在实验室中验证硬件功能的工作量很大。由于对FPGA的可见性有限，因此很难调试。在仿真过程中，您几乎可以无限了解设计。在仿真过程中查找设计或编码错误要比在实验室上板过程中快得多。

系统模型：当仿真与FPGA外部部件通信的数字设计时，仿真需要外部部件的模型。当开发这些系统模型时，其理念是围绕着合理的真实性。如果你只是简单地测试一个SPI接口，一个非常简单的模型就可以了。
时序：功能仿真告诉我们故事的第一部分。来自综合工具的静态时序分析表明，设计将或不会以所需的时钟速度运行。这些工具需要与时钟相关的约束定义。
花费多久仿真：在Xilinx Virtex-5设备中使用诸如以太网MAC之类的硬IP时，运行涉及MAC IP的仿真几乎没有意义。这种仿真需要花费大量时间，并且您不能修改IP来纠正任何缺陷。（此外，它已经由制造商和许多设计进行了广泛的测试。）

有关仿真的更多内容，仿真技巧以及注意事项，可以参考我的其他博客：
FPGA设计心得（10）关于行为仿真的一点观点

工程管理

工程就是生意，而生意就是关系。因此，成功的工程是关于建立高质量的关系。项目通常不会因为技术原因而失败。他们失败的原因是开发团队中的人的行为。

许多工程师声称他们不关心营销，尽管这是让他们就业的原因。利润是企业持续经营活动的要求，与营销密切相关。一个公司最强的营销是高质量、有良好记录（读作：可维护）的产品。所有的工程师都应该朝着这个目标努力。这就是你如何为你的公司、你的团队、你自己建立声誉。你的声誉强烈地影响着你的下一份工作；或者说缺乏声誉。

制作的文档中出现句子碎片。错别字也会让人怀疑你的专业性。这是一个竞争激烈的世界；不要提供理由来质疑你对细节的关注。

管理工程师

生产力：在PeopleWare中，DeMarco和Lister确定，长时间不间断的活动会大大提高工作效率。在经历了一天的持续中断（会议、电子邮件、电话等）之后，人们可能会一无所获地离开。这损害了计划和预算，但更重要的是它损害了士气。

注： T. DeMarco and T. Lister. Peopleware - Productive Projects and Teams. 1999.

培训：工学院提供科学和数学基础知识，但确实为我们做好了在工作中学习的准备。向工程师提出他不熟悉的问题类型时，讲师指导的培训可以明显缩短学习曲线。
团队。团队凝聚力和个人积极性是项目成功的关键。等于或大于技术挑战。所有学科之间的团队凝聚力至关重要。如果项目失败，那么FPGA的设计完美程度将无关紧要。
公司价值。产品开发工程师对公司的未来成功与产品对当前的成功一样重要。将工程师，受过高等教育的技术专家视为商品，会降低团队士气，并不可避免地影响项目进度和质量。在竞标一个项目以赢得业务的情况下，期望或要求工程师无偿加班来弥补差额并不是公司长期成功的途径。
工作满意度。给工程师一个有趣的问题，一个解决问题的资源，尽可能少的干扰和烦恼，使他们的工作满意度很高。幸运的是，培养工程师的自我价值相对容易。一副大显示器要花几百美元。考虑到由于信息可用性而带来的效率提高以及士气和动力的提高，投资回报率是相当不错的。
时间规划。时间规划预估是有关事件何时发生的最佳猜测。将来距离越远，准确性越低。您必须定期修改长期计划。要求员工付出巨大的个人牺牲才能满足任意计划，这是长期企业灾难的良方。