利用Block Design加速设计

一  Block Design设计方法

早期的FPGA，资源是比较有限的，设计规模相对也比较小，之前的设计流程中工程师常用的设计以HDL+Xilinx IP为结构，设计中也会顾虑到FPGA资源的节省。

随着FPGA的资源越来越大，设计的快速构建、易修改、随着版本可迭代的要求越来越高。好比在早期单片机时代，C语言是主流的工具；而处理器越来越强，脚本类语言能更快构建最终应用。

Xilinx越来越多的例程，给出的参考设计是基于Block Design设计方法的，block design设计方法具备如下优势：

A. 框图形式，直观易懂
        Block Design基于框图的形式，搭积木+连线的方式；         B. 节省大量的Coding时间

互联总线连线，可以鼠标单一连线。Block Design的一个IP往往可以独立运行，比代码的方式只是一个wrapper包含的内容更多；

C. 可以随着Vivado升级，快速更新IP，保持设计更新
        传统HDL+IP的方式，IP升级后还需要检查对应HDL的适配。Block Design一般来说，IP作为一个模块升级，基本上Block Design直接升级，内部不用再干预； D. 包括大量的通用IP，可以灵活构建设计
        尤其是基于AMBA的IP，可以帮助用户快速灵活构建设计；

二  Block Design设计实例

如何理解Block Design设计方法、工具如何使用等问题Xilinx有详细的文档手册来介绍，本文中不做介绍，本文简单以一个实际的案例，介绍使用Block Design加速设计。

本文描述的这个设计，需要4路光纤，运行Aurora协议，各路Aurora线速率不同。最终Aurora协议的数据部分，还需要通过PCIe上传到上位机。反过程是上位机的数据，通过PCIe最终分发到4路Aurora光纤，向外传输。

本文描述的这个设计中的两个要点：

1. 利用DDR做大容量缓存

有很多应用需要用DDR做缓存，例如常见的PCIe+Aurora收发，或者ADC/DAC，图像采集卡等，两边速率不匹配并且累计需要的容量超过FPGA内部FIFO的时候，需要外部的DDR做缓冲。

早期Xilinx DDR IP的用户接口，只提供了类似于FIFO那样的接口，并且只有一个用户接口。

在传统的RTL设计方法中，需要将DDR作为缓存，需要自己做如下设计：

A. 多数据输入输出的接口，将app_接口扩展多个独立的接口，供不同的端口使用

B. 总线仲裁，多个独立接口仲裁，按照round-robin，或者抢占式的方式提供仲裁

C. 地址管理，不同的端口深度要求不同的情况下，对应管理不同的地址空间。

实现这些功能，大概需要写这么多代码，对一个工程师来说，这些代码可能需要2-4周的代码和仿真时间：

如果使用Block Design实现，1个小时差不多就可以实现上面的这些内容，在Block Design中：

A. 最右侧的DDR IP 直接出AXI接口；

B. 使用AXI Smart Connect实现多端口扩展，自带仲裁功能；

C. 使用DATAMOVER完成外围FIFO数据到DDR的数据读写；

搭建这个Block只需要10分钟，到这一步为止，剩下的工作只需要控制DATAMOVER的命令接口即可。

2. 使用XDMA直接和DDR交互

过去Xilinx 平台设计DMA，从最早的XAPP1052，到后来一些付费的PLDA和NWlogicIP，设计复杂度不用说，哪怕购买了IP也需要一些时间融入到自己的产品中。

Xilinx有一个XDMA IP，这个IP的介绍和使用参考PG195。这里使用Block Design，添加XDMA。

XDMA对外有2个接口：

A. 一个是AXI_LITE接口，这里接AXI_BRAM IP，对外是一个bram接口，用作寄存器接口，控制PCIe卡内部的寄存器；

B. 一个是AXI Memory Full接口，可以直接对接DDR空间，访问所有的DDR部分；

通过地址空间来看，DDR被PCIe XDMA和4路DATAMOVER共享，DATAMOVER外部接收的数据缓存在DDR空间，上位机可以直接读走这片缓存的数据，从而实现外部数据到上位机的过程。

一个实际的PCIe Aurora光纤收发的工程，在Block Design中搭建这些框图，外围的代码非常简单。下面是一个实际的工程，4光口的Aurora收发卡，使用DDR缓存，并且使用PCIe和上位机交互。

Block Design中包含了PCIe部分，以及上面的DDR缓冲的部分，外部只需要1个DATAMOVER写控制、1个DATAMOVER读控制、1个寄存器接口，即完成整个设计。

三  结语

使用Block Design设计方法，主体部分都可以快速拖拽和连线完成，使得外围所需要的的代码大大简化，只需要区区3个模块代码，完成从数据流到DDR的缓冲以及通过XDMA读取DDR的过程，从而完成外围接口和上位机的通讯。

这个设计可以适配很多种Stream形式的设计：

A. Aurora光纤收发卡；

B. Camera Link图像采集卡；

C. AD/DA数据采集回放卡；

审核编辑 ：李倩