FPGA原型验证实战：如何应对外设连接问题

在芯片设计验证中，我们常常面临一些外设连接问题：速度不匹配，或者硬件不支持。例如运行在硬件仿真器或FPGA原型平台上的设计，其时钟频率通常只有几十MHz，甚至低至1MHz以下；而真实世界中的外设与协议（如PCIe、高速以太网等）运行在几百兆以上。如此巨大的速度鸿沟，使得将它们直接相连几乎不可行。针对速度不匹配，核心解决方案是引入降速桥（Speed Adaptor）。它是专门用于原型验证 (Prototyping) 或仿真 (Emulation) 环境中的一类硬件适配器，作用是把运行速度和接口特性差异很大的系统连接起来，能够在接近真实系统的条件下进行验证。而针对硬件不支持的场景，则需要借助模型和接口来模拟真实设备的功能与协议。以三个典型应用案例来做具体分析：

案例一：PCIe 降速桥（PCIe Speed Adaptor）降速桥通常要解决的是速率匹配匹（Speed Adaptation）、协议转换（Protocol Adaptation）、时间解耦（Time Decoupling）、和可控可观测（Debug/Control）等问题。在FPGA原型中，AMD (Xilinx) PCIe PHY的工作频率（Gen1为62.5 MHz，Gen4达500 MHz）已远高于综合后设计的运行频率。另一方面，用户设计若进行分割，性能将进一步降低二十兆以下。这与PCIe PHY的工作频率形成了巨大落差。正因如此，实现可靠的速率匹配成为连接双方的关键。该解决方案的核心是PCIe Switch IP，其多端口能够独立建立链路并工作于不同状态，以此实现协议版本、链路宽度与速率的动态适配。此外，方案还集成PCS、PIPE接口转换等关键IP模块，共同构成一个完整的速率适配解决方案。

图1：PCIe降速桥原理

案例二：HDMI 降速桥（HDMI Speed Adaptor）该方案直接将HDMI音视频码流数据传输至主机，通过定制的解码器提取视频和音频数据， 依赖软件模拟显示器，播放解码后的音视频数据。DisplayPort/MIPI DSI/USB Speed Adaptor与之采用相同架构。

图2：HDMI降速桥原理

 

案例三：存储器模型（Memory Model）

 

在FPGA原型验证中，为验证DDR5、LPDDR5及HBM2E/3等存储控制器，我们利用Memory Model IP，通过FPGA本身支持的DDR4来模拟这些FPGA无法直接支持的存储器。同时，为了协助系统调试，思尔芯团队为存储器模型增加了一个具备可控性与可观测性的后门，以方便进行高效的读写存储。

图3：Memory Model原理凭借在原型验证领域二十多年的技术积累，思尔芯推出了一系列方案以应对复杂的外设连接问题，其代表产品有常用Speed Adaptor、10G-800G速率的高速以太网适配器和存储器模型等，有效帮助客户应对复杂的外设连接问题。公司将持续投入开发，扩展协议支持，并始终致力于运用领先的数字EDA技术，贴近客户，全力助其缩短验证周期，为产品创新与上市提速。