嵌入式視頻處理系統(tǒng)領(lǐng)域的FPGA驗證

要點

FPGA能滿足目前的視頻處理系統(tǒng)的需要。

在視頻處理應(yīng)用領(lǐng)域，必須格外重視測試臺設(shè)計。

應(yīng)使驗證環(huán)境盡可能接近真實世界，這將使電路板級的集成變得容易，并減少重制需要。

參與消費電子細分市場，會帶來許多優(yōu)勢。盡管如此，該細分市場的設(shè)計團隊仍將面臨急劇收縮的上市時間窗口。因此，基于FPGA的設(shè)計已經(jīng)演變成為許多系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計者的首選。同時，人們對消費品中的多媒體功能的需求日益增多，這使得DSP和流傳輸接口成為許多嵌入式產(chǎn)品中必備的部件。幾家FPGA廠商開發(fā)了帶有DSP核心與流傳輸接口的FPGA，它們在技術(shù)和復(fù)雜度上均足以應(yīng)對最近這些設(shè)計要求。

但是，如果FPGA通過接口與DSP核心連接，并且高速視頻數(shù)據(jù)是通過它來傳輸，那么它根本不是簡單的系統(tǒng)。這種更高的設(shè)計復(fù)雜度導(dǎo)致了額外的驗證難題，并且如果您在設(shè)計階段晚期發(fā)現(xiàn)一處重大錯誤，那么這還會導(dǎo)致高成本的系統(tǒng)板重制。為了消除這一隱患，您必須仔細考慮自己采用的驗證方法，以便降低重制風(fēng)險。

對基于FPGA的設(shè)計進行驗證，其最大優(yōu)勢在于，系統(tǒng)在最低級別擁有預(yù)先定義的體系結(jié)構(gòu)，因此您在設(shè)計伊始就知道測試必要場景的范圍。因此，驗證團隊可在FPGA基礎(chǔ)上構(gòu)建一個模仿實際系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的驗證環(huán)境。

除了驗證外設(shè)之外，您還必須驗證FPGA內(nèi)部的各種設(shè)計元件，比如數(shù)字時鐘管理器(DCM)和塊RAM，您在自己的設(shè)計方案中會用到它們。但是這需要您驗證許多部件。因此測試完成時間會極大地影響產(chǎn)品開發(fā)總體時間。有鑒于此，驗證環(huán)境必須具有很高的時間效率。如果您在對FPGA設(shè)計元件和外圍器件有充分了解的前提下開發(fā)出恰當(dāng)?shù)尿炞C環(huán)境，那么該環(huán)境的初期設(shè)計可使您編寫出準(zhǔn)確的測試案例，并確認電路板設(shè)計。

基元的正確使用

FPGA廠商們提供DCM、塊RAM等經(jīng)過良好驗證的FPGA基元。但是，要想在FPGA設(shè)計中正確使用這些基元，您就必須遵循特定的指導(dǎo)方針。務(wù)必在設(shè)計方案變成芯片之前發(fā)現(xiàn)所有不正確的使用。例如，輸入時鐘上的允許時鐘抖動就是這樣一條DCM約束。在某個測試案例中，DCM在低頻模式時，對周期抖動的約束為±300ps。按照設(shè)計規(guī)格，DCM的輸入時鐘可以是16.384、22.5792或24.576MHz。但是在設(shè)計驗證期間，當(dāng)實驗人員把輸入時鐘從一個頻率切換到另一個頻率時，DCM解鎖了，這是因為頻率的切換違反了輸入時鐘抖動約束。因此，修改后的設(shè)計方案實現(xiàn)了一種機制，在改變輸入時鐘頻率的同時使DCM復(fù)位。如果您在前端驗證期間未能發(fā)現(xiàn)此類錯誤，那么在電路板設(shè)計確認期間，很有可能需要一周或更長時間來查明錯誤。

隨著技術(shù)的進步，F(xiàn)PGA目前已把塊RAM包含在內(nèi)，后者可以是單端口或雙端口存儲器。如果是雙端口RAM，那么塊RAM允許兩個端口同時訪問同一個存儲單元。但是，如果設(shè)計者以不恰當(dāng)?shù)姆绞絹韺崿F(xiàn)RAM控制器，那么在同一個有效的寫周期當(dāng)中，兩個存儲器端口也許會試圖向相同的RAM位置寫入不同數(shù)據(jù)。驗證團隊必須為此類場景準(zhǔn)備單獨的測試。因此，F(xiàn)PGA設(shè)計者和FPGA驗證工程師都必須意識到FPGA內(nèi)部元件的要求或約束。

輸入信號的變化

在現(xiàn)實世界，F(xiàn)PGA的輸入信號具有路由路徑延遲和質(zhì)量退化現(xiàn)象。FPGA驗證計劃應(yīng)該考慮輸入激勵信號生成過程中的時序和信號完整性的這類變化。例如，一種很好的做法就是了解輸入信號偏離理想條件的漂移程度，這樣您就能驗證FPGA設(shè)計在漂移期間將順利發(fā)揮作用。當(dāng)接口同步，并且某個外部器件在驅(qū)動時鐘時，這項要求就會變得至關(guān)重要。根據(jù)路由路徑延遲、發(fā)射器件的時鐘至輸出延遲、接收器件的輸入設(shè)置時間的不同情況，數(shù)據(jù)、控制和時鐘可能會具有各自不同的延遲。在高頻工作期間，這一約束也許會給FPGA留下很窄的采樣窗口，供它記錄輸入數(shù)據(jù)。在這種情況下，在向FPGA設(shè)計提供激勵時，您就應(yīng)該考慮這類實時延遲。

在現(xiàn)實世界，輸入時鐘伴隨著抖動和漂移變化。雖然你可用DCM來處理這些變化，但DCM在輸入時鐘變化公差方面有自己的限制。驗證工程師必須知道在真實系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的時鐘變化，并且在驗證環(huán)境中生成輸入時鐘時，包含相同的變化。采用這類做法可幫助發(fā)現(xiàn)FPGA設(shè)計方案的局限性，并在早期開發(fā)階段實施糾正行動。

外設(shè)的集成

流媒體的迅速成長要求各系統(tǒng)以更快的速度工作。對于頻率較高的系統(tǒng)，您在集成FPGA及其外設(shè)器件時務(wù)必小心。這些外設(shè)器件在輸入設(shè)置和保持時間方面具有時序約束。驗證工程師必須知道所有外設(shè)器件的時序約束。如果添加示波器來驗證具有不同時序約束的FPGA設(shè)計方案，就會迫使設(shè)計者遵循恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計指導(dǎo)方針，來使FPGA設(shè)計與系統(tǒng)兼容。

FPGA可以實現(xiàn)UART、I2C、SPI、GPIO等等標(biāo)準(zhǔn)接口。這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該指定這些端口的驗證策略。在驗證這類設(shè)計方案時，您還必須考慮那些使用定制接口的外設(shè)器件的時序約束。例如，F(xiàn)PGA的GPIO接口可與板上多路復(fù)用器連接。FPGA負責(zé)驅(qū)動多路復(fù)用器的選擇輸入，然后記錄它的輸出。一旦選擇輸入發(fā)生變化，多路復(fù)用器在其輸入端就需要穩(wěn)定時間。如果實現(xiàn)在生成驗證模型響應(yīng)過程中發(fā)生的這種延遲，就可確保FPGA僅在多路復(fù)用器的輸出穩(wěn)定后記錄它的輸出。

使各團隊同步工作

使受測FPGA設(shè)計方案感覺像是實時應(yīng)用軟件流，這是一種很好的做法。當(dāng)應(yīng)用軟件施加自己的某些限制時，看似在驗證測試臺上工作的FPGA設(shè)計方案也許無法正常運行。不妨設(shè)想某種用于高清視頻記錄的FPGA設(shè)計方案。FPGA必須記錄原始視頻數(shù)據(jù)，并填充內(nèi)部FIFO緩沖器。DSP通過外部存儲器接口與FPGA連接，讀取FPGAFIFO緩沖器的內(nèi)容以便記錄視頻數(shù)據(jù)。利用來自真實應(yīng)用軟件流的時序信息，驗證工程師就能估計DSP在連續(xù)兩次FIFO緩沖器讀操作之間可能耗費的最長時間。工程師然后可以實現(xiàn)某個考慮了DSP上述限制的測試案例。如果FIFO緩沖器容量太小，無法緩沖連續(xù)兩次FIFO緩沖器讀操作之間的最長間隔期間到達的所有數(shù)據(jù)，那么測試就會記錄一次錯誤。


視頻信號處理領(lǐng)域的問題與數(shù)據(jù)相關(guān)。因此應(yīng)在電路板設(shè)計確認期間使用不同類型的視頻圖形，這可能很重要。該方法有助于確保任何視頻流應(yīng)用的準(zhǔn)確視頻處理。隨著開源領(lǐng)域的進步，驗證工程師可隨時找到合適的開源軟件，來生成原始數(shù)據(jù)格式的此類測試圖形。驗證工程師可利用軟件或直接記錄來自某系統(tǒng)的圖形，由此生成原始數(shù)據(jù)文件等視頻圖形。選用這類方法后，驗證工程師就能在實時測試場景下發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤，并在前端驗證期間糾正它們，而不必等到客戶碰巧應(yīng)用了某個視頻圖形使系統(tǒng)失靈后。

利用軟件或記錄直接來自某系統(tǒng)的圖形驗證工程師就能在實時測試場景下發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤


在設(shè)計階段伊始，驗證團隊和軟件團隊在測試計劃中就應(yīng)該擁有一套共同的測試場景。這套共同的測試案例將確保電路板設(shè)計確認期間不存在漏洞。另外，設(shè)計者在設(shè)計階段初期還能發(fā)現(xiàn)或糾正任何實現(xiàn)錯誤或集成錯誤。

FPGA設(shè)計方案十分復(fù)雜，這就要求設(shè)計者在設(shè)計階段盡早發(fā)現(xiàn)問題，避免重制。在減少電路板設(shè)計確認期間出現(xiàn)的錯誤數(shù)量方面，驗證的作用變得很重要。驗證工程師應(yīng)仔細考慮系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并應(yīng)具備外設(shè)硬件方面的工作知識，這將使他們能寫出更接近實時應(yīng)用的測試場景。這些萬法會使驗證工作變得很有效，最終使電路板設(shè)計確認工作變得很容易。