白皮书_FPGA中的IP集成方法对比-Altera.PDF

白皮书白皮书 白皮书白皮书 ________________________________________________________________ FPGA 中的中的IP 集成方法对比集成方法对比 中的中的 集成方法对比集成方法对比 引言 从最初的计算机和电话开始，互联网络一直是电子工程的关键构成(1)。在超大规模集成(VLSI) 电路 时代，由于MOS 晶体管(2)的驱动特性以及片内互联(3)相对较大的电容，互联网络变得尤其重要。 芯片内部用于连接功能单元的互联网络对芯片性能有很大的影响，甚至是决定性的影响。总线虽然 是一种最简单的互联，但从容量或者电源角度看，却是较差的选择，因为驱动总线以最大速率工作 时需要的电源和空间随总线电容呈指数增大(4)。而且，多点连接网络也不是一种好选择，因为即使 每次只需要一次对话，或者会话限于最近的邻居之间，也必须驱动整条总线。交叉是不错的解决方 案，其最大容量由底层器件和布线技术决定。一般而言，多方会话的最佳解决方案是采用交叉网络 (5)。 现状现状 现状现状 目前的片内总线直接源自计算机系统中使用的系统宽度总线(实际上进行了精简) 。尽管我们知道这类 总线的确发挥了作用，但它明显在设计上受限于以前的商用目的和技术水平，也就是便宜的布线、 昂贵的芯片，而互联比逻辑速度快。 现在，情况发生了变化。现代大规模IC 的速度一般受限于互联，而不是逻辑。采用了多时钟域和波 传播技术的芯片就充分证明了这一点。在众所周知的“摩尔定律”(常常被错误地引用)作用下，现在 可以提供丰富的逻辑门，而大部分工程师并不知道该如何使用这么多的资源。对于这一窘境，可以 反过来考虑电路和系统设计：便宜的逻辑和互联，而布线恰恰相反。 总线导致了总线标准的发展——很自然地产生于目前的商业和技术环境。不同生产商的各种IC需要 通过印刷电路板进行通信，因此需要为逻辑电平、电流驱动和信号极性建立标准。各种引脚和信号 标准(例如，晶体管到晶体管逻辑，即TTL)导致了引脚组标准，也就是总线标准的产生。信号标准简 化了不同元件之间的连接，总线标准实现了各种微处理器、外设和存储器的连接。这样产生了将整 个电路板看成是一种插入模块的电路板级标准(例如，VME 、S-100、Futurebus 、PCI等) 。实际上， 在很多情况下，这些电路板级标准已经超出了供应商专用芯片级伪标准的范围。 虽然引脚级、芯片级和电路板级总线实现了电气兼容性，但并不能保证各构成部分之间能够实际对 话。可以说电路能够工作，而协议较弱。但是标准并没有解决系统体系结构和数据流的问题，因此， 标准只是很好地解决了那些琐碎的问题，例如怎样发送连续的 “1”和“0 ”字符串。 与很多法律、政策和规章相似，总线标准也得贯彻其效用。但是，总线一经采用，就开始过时了。 总线的严密性成为其弱点。总线标准对信号、协议、带宽和应用模型的变化适应性不强。总线在本 质上变化很慢，很快就不能适应意外的变化。它阻碍了创新；延误了原创。虽然总线能够顽强地支 撑下去，但是如果不具有连续性，那就一无是处了。当然，在不断发展变化的标准化大海中，它仍 然是稳稳竖立的灯塔。没有确定的规范，元件生产商应怎样遵循标准呢? 其他考虑其他考虑 其他考虑其他考虑 总线的替代方案有很多，都曾在各种计算机、芯片、电路板、ASIC和FPGA 中得到成功应用。如同 总线不是解决所有互联问题的灵丹妙药，这些替代方案也不是万能的。如果能避免标准总线固定的 程序安排和时间进度，那就有可能为设计开辟新的坦途，为普通项目带来一些创意和创新。 总线和网络 目前总线体系结构的替代方案其实也不过是一类不同的总线。准确地说，是不同的互联拓扑，例如 网络、交换架构或者交叉结构。这些互联拓扑成功地应用在很多芯片、电路板和系统级产品中，变 得越来越流行。随着芯片和系统级体系结构的变化，其互联逻辑随之变化。 如图1所示，总线拓扑一般总是采用点对点或者点对多点会话结构。这些总线也是源自引脚或者电路 板级接口的标准化要求，这样，各种供应商的芯片能够实现互通。总线可以有多个主机(发起一次会 话，发送或者接收数据)，但是每次只有一个主机处于活动状态。在总线的定义上，其本质就具有独 占性。每次只有一个主机能够使用总