一文掌握多片FPGA的多路复用

多片FPGA之间的互连，经常提到多路复用的概念，也经常提到TDM的概念，正确理解多路复用在多片FPGA原型验证系统中的机理，尤其是时序机制，对于我们正确看待和理解多片FPGA原型系统的性能有很好的促进作用。下图是一个使用多路复用器后接采样FF的多路复用解决方案的示例。

在FPGA-A中，我们有一些触发器的设计，我们称为FF（Flip_Flop），然后是一些组合逻辑设计，在FPGA中的Design这个模块，可以认为是移植成功的SoC的RTL设计，在这里抽象为一部分组合逻辑和时序逻辑FF的简单连接，实际上，我们的设计中也是组合逻辑和时序逻辑的结合，只是要比图示要复杂的多。FPGA_A中要输出的IO的值被馈送到发送级所谓的发送级并不是SoC所拥有的RTL代码，而是为了正确传输这些IO所额外设计的文件，该级包含一个复用器，该复用器依次选择每个设计信号和一个输出FF，我们将其称为FFMO。FFMO可以被放置在FPGA A的IO FF中，以改善输出时序。

在两个FPGA之间，我们为多路复用信号使用单端连接（在图中显示为多路复用器）。为了保证信号完整性，我们必须确保在发送FFMO和接收FF（我们称之为FFMI）之间的一个传输时钟周期内接收多路复用样本并将其锁存到目的FF。

当多路复用的信号被逐个采样到FPGA-B中的FFMI时，而后它们被存储在一组捕获FF中，我们称之为FFMC。这些FF确保样本在设计时钟的下一个时钟边缘之前都是稳定的。我们的示例还显示了FPGA_B接收端的一些组合设计逻辑（被分割在FPGA-B中的SoC的逻辑）。

那么，如何计算最大传输频率以及传输时钟与设计时钟之间的比率呢？我们的约束是在FFMO和FFMI之间的传输时钟周期内传输数据值。路径上的延迟如下：

这是信号可以在FPGA之间传递的理论速率，但我们使用的是单端信令，并且FPGA之间可能存在一些时钟不确定性或抖动，我们也应该给容差留出一些空间。因此，根据我们的经验，我们应该添加Ttolerances = 1到2ns的安全裕度，这取决于我们对电路板上时钟分布质量的信心。对于此示例，让我们假设

最大时钟频率100MHz（或10ns的周期）必须作为FPGA合成和放置和路由期间传输时钟的约束条件。

现在让我们更仔细地考虑多路复用器和dmux组件是如何工作的，以便计算传输时钟和设计时钟之间的比率。我们必须考虑两种可能的用例。第一种情况是传输时钟和设计时钟是相互同步的，即，它们来自一个时钟源，并且它们是相位对准的。第二种情况是，传输时钟和设计时钟是异步的，在这种情况下，我们不知道数据值的传输是从哪个传输时钟周期开始的，我们必须设置正确的约束以确保其正常工作。

从同步情况开始，我们从框图中看到，需要一些传输时钟周期，才能将数据从发送设计FFS通过复用寄存器FFMO、FFMI、FFMC传送到接收设计寄存器FFR。

此外，即使这两个时钟是同步的，我们也必须重视发送和接收端的设计时钟和传输时钟之间的延迟。这些延迟在方框图中标记为发送侧的Tdesign−to−mux和接收侧的Tdmux−to−design。对于以下时钟比率的计算，我们假设这些延迟具有恒定值，并且我们必须将这些假设作为综合布局布线的约束条件。对于我们这里的示例，我们将假设这些延迟最大为一个传输时钟周期，这是极端的，最大为10ns。下表显示了基于以上假设的设计信号如何通过复用传输。

考虑在设计寄存器FFS中有效的新数据DA。一个传输时钟周期后，第一位DA1被捕获到FFMO中。这是使用我们的假设，即设计时钟和传输时钟之间的延迟是最大一个传输时钟周期，并且时钟是相位同步的。表中带阴影的条目显示了捕获的数据位如何通过多路复用器和dmux传输，并被计时到接收FFR中。我们在首都强调了链中每个FF都有新数据的地方。正如我们从选项卡的第一列中看到的，设计时钟和传输时钟之间的比率是7，这意味着设计时钟必须比传输时钟慢7倍才能保证正确的操作。

现在，计算我们的同步复用示例的最大设计时钟频率很简单：

因此，对于这一设计，即在100MHz下使用4:1复用器比率复用信号，我们可以在14.28MHz以上的最坏情况下运行我们的设计，而不是我们可能从4:1比率中猜测的25MHz。

我们现在已经看到了传输时钟和设计时钟是同步的情况，但让我们考虑异步复用方案中的差异。最大传输时钟频率相同，但我们不知道设计和传输时钟的有效边缘之间的偏差。因此，我们必须在发送和接收端增加额外的同步时间，以确保满足设计和传输时钟之间的设置和保持时间。这在发送端和接收端都增加了额外的传输时钟周期。异步复用的最大设计频率计算如下：

我们可以看到，异步情况以较低的设计频率运行，但异步多路复用的优点是，我们不需要同步设计和传输时钟，而且我们可以更自由地从何处获取传输时钟。

为了总结这个例子，我们应该记住用复用来约束设计的重要事项是：

基于FPGA
IO技术、板上延迟和容差计算传输时钟的正确最大频率。

考虑同步或异步复用之间的差异，计算设计和传输时钟之间的正确比率。

为传输时钟和设计时钟提供正确的合成和FPGA位置和路线限制。

为传输时钟和设计时钟之间的延迟提供正确的合成时钟和FPGA位置和路径限制。

考虑了FPGA之间使用正常单端信令的不同类型的复用，我们可以做什么来获得更高的复用率，但仍然保持高系统速度？答案在于提高最大转移使用FPGA的内置串行IP和更强大的信令技术。

 

　　审核编辑：汤梓红