fpga開(kāi)發(fā)流程攻略與fpga器件選型七大原則分享

(部分內容整合自以下作者，在此特別鳴謝！? ? 作者： 童 鵬、胡以華/中科院上海技術(shù)物理研究所)? ?

? ? ? ? ?FPGA器件的選型非常重要，不合理的選型會(huì )導致一系列的后續設計問(wèn)題，有時(shí)甚至會(huì )使設計失??；合理的選型不光可以避免設計問(wèn)題，而且可以提高系統的性?xún)r(jià)比，延長(cháng)產(chǎn)品的生命周期，獲得預想不到的經(jīng)濟效果。FPGA 器件選型有以下7個(gè)原則：器件的供貨渠道和開(kāi)發(fā)工具的支持、器件的硬件資源、器件的電氣接口標準、器件的速度等級、器件的溫度等級、器件的封裝和器件的價(jià)格。

1.器件的供貨渠道和開(kāi)發(fā)工具的支持

目前，主要的FPGA供應商有賽靈思公司、Altera公司、Lattic公司和Actel公司等，FPGA的發(fā)展速度非?？?，很多型號的FPGA器件已不是主流產(chǎn)品，為了提高產(chǎn)品的生命周期，最好在貨源比較足的主流器件中選型。Xllinx公司的主流器件有Spartan-3E、Spartan-3A、Virtex-4LX、Virtex-4 SX、Virtex-4 FX、Virtex-5 LX、Virtex-5SX、Virtex-5 FX、Spartan-6和Virtex -6等系列，其中Spartan-3E和Spartan-3A系列主要應用于邏輯設計和簡(jiǎn)單數字信號處理，Virtex-4 LX 和Virtex-5 LX 系列主要應用于高速邏輯設計，Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列主要應用于高速復雜數字信號處理，Virtex-4 FX和Virtex-5 FX系列主要應用于嵌入式系統。

賽靈思公司有集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ISE，Altera公司有集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Quartus Ⅱ，兩個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持本公司所有器件的設計和開(kāi)發(fā)。該集成開(kāi)發(fā)環(huán)境不僅功能強大、界面友好，而且有很多第三方合作伙伴提供相應的技術(shù)支持，能使器件獲得更高的性能。因此，如果沒(méi)有特殊應用要求，建議最好在這兩家公司進(jìn)行器件選型。

2.器件的硬件資源

硬件資源是器件選型的重要標準。硬件資源包括邏輯資源、I/O資源、布線(xiàn)資源、DSP 資源、存儲器資源、鎖相環(huán)資源、串行收發(fā)器資源和硬核微處理器資源等。

邏輯資源和I /O資源的需求是每位設計人員最關(guān)心的問(wèn)題，一般都會(huì )考慮到，可是，過(guò)度消耗I/O資源和布線(xiàn)資源可能產(chǎn)生的問(wèn)題卻很容易被忽視。主流FPGA器件中，邏輯資源都比較豐富，一般可以滿(mǎn)足應用需求?？墒?，在比較復雜的數字系統中，過(guò)度I /O資源的消耗可能會(huì )導致2個(gè)問(wèn)題：FPGA負荷過(guò)重，器件發(fā)熱嚴重，嚴重影響器件的速度性能、工作穩定性和壽命，設計中要考慮器件的散熱問(wèn)題；局部布線(xiàn)資源不足，電路的運行速度明顯降低，有時(shí)甚至使設計不能適配器件，設計失敗。根據本人的應用經(jīng)驗：

(1) 在做復雜數字信號處理時(shí)，位數比較高的乘法器和除法器對全局布線(xiàn)資源的消耗量比較大；

(2) 在做邏輯設計時(shí)，雙向I /O口對局部布線(xiàn)資源的消耗量比較大；

(3) 在利用存儲器資源設計濾波器的應用場(chǎng)合，局部布線(xiàn)資源的消耗量比較大；

(4) 在電氣接口標準比較多，而邏輯比較復雜的應用場(chǎng)合，局部布線(xiàn)資源的消耗量比較大。

在做乘法運算比較多而且對速度性能要求比較高的應用場(chǎng)合，最好能選用帶DSP資源比較多的器件，例如，Altera公司的Statix Ⅱ和Statix Ⅲ系列，賽靈思公司的Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列等。

器件中的存儲器資源主要有2種用途：作高性能濾波器；實(shí)現小容量高速數據緩存。這是一種比較寶貴的硬件資源，一般器件中的存儲器資源都不太多，存儲器資源較多的器件邏輯容量也非常大，用得也比較少，供貨渠道也不多，器件價(jià)格也非常高。因此，在器件選型時(shí)，最好不要片面追求設計的集成度而選用這種器件，可以考慮選用低端器件+外擴存儲器的設計方案。

目前，主流FPGA中都集成了鎖相環(huán)，利用鎖相環(huán)對時(shí)鐘進(jìn)行相位鎖定，可以使電路獲得更穩定的性能。賽靈思公司提供的是數字鎖相環(huán)，其優(yōu)點(diǎn)是能獲得更精確的相位控制，其缺點(diǎn)是下限工作頻率較高，一般在24MHz以上；Altera公司提供的是模擬鎖相環(huán)，其優(yōu)點(diǎn)是下限工作頻率較低，一般在16 MHz以上，其主流器件Statix Ⅱ和Statix Ⅲ系列中的增強型鎖相環(huán)工作頻率只要求在4 MHz以上，其缺點(diǎn)是對時(shí)鐘相位的控制精度相對較差。

在通訊領(lǐng)域里，用光纖傳輸高速數據是一個(gè)比較常用的解決方案。A1tera公司的Statix Ⅱ GX 和Statix Ⅲ GX系列，賽靈思公司的Virtex-4 FX和Virtex-5 FX系列都集成了高速串行收發(fā)器( 注意：賽靈思V5帶T的產(chǎn)品都有高速串行收發(fā)器，V4、V2P 某些型號也有高速串行收發(fā)器)，這種器件價(jià)格一般都比較高。目前，National和Maxim等公司提供的高性能專(zhuān)用串行收發(fā)芯片價(jià)格都不高，因此，如果只是進(jìn)行光纖數據傳輸沒(méi)計，大可不必選用這種器件；如果是光纖數據傳輸+邏輯或算法比較復雜的應用場(chǎng)合，最好是將兩種方案進(jìn)行比較，然后考慮是否選用該器件。

利用集成硬核微處理器的FPGA器件進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)，代表嵌入式應用的一個(gè)方向。賽靈思公司提供集成PowerPC的Virtex-4 FX和virtex-5 FX系列器件。隨著(zhù)器件價(jià)格不斷下降，在很多應用場(chǎng)合，在不增加成本的情況下，選用該器件和傳統FPGA+MCU的應用方案相比，能大幅度提高系統性能和降低硬件設計復雜程度。此時(shí)，選用該器件是比較理想的。

3.電氣接口標準

目前，數字電路的電氣接口標準非常多。在復雜數字系統中，經(jīng)常會(huì )出現多種電氣接口標準。目前，主流FPGA 器件支持的電氣接口標準有：1．5 V，1．5-V 等，可以滿(mǎn)足絕大部分應用設計需求。

賽靈思公司的FPGA幾乎所有的管腳都支持SSTL-2 Class Ⅱ電氣接口標準，此時(shí)選用賽靈思公司的FPGA是比較理想的。

4.器件的速度等級

關(guān)于器件速度等級的選型，一個(gè)基本的原則是：在滿(mǎn)足應用需求的情況下，盡量選用速度等級低的器件。該選型原則有如下好處：

(1) 由于傳輸線(xiàn)效應，速度等級高的器件更容易產(chǎn)生信號反射，設計要在信號的完整性上花更多的精力；

(2)?速度等級高的器件一般用得比較少，價(jià)格經(jīng)常是成倍增加，而且高速器件的供貨渠道一般比較少，器件的訂貨周期一般都比較長(cháng)，經(jīng)常會(huì )延誤產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的上市率。

5.器件的溫度等級

某些應用場(chǎng)合，對器件的環(huán)境溫度適應能力提出了很高的要求，此時(shí)，就應該在有工業(yè)級甚至是軍品級或宇航級的器件中進(jìn)行選型。據調研，Altera公司每種型號的FPGA都有工業(yè)級產(chǎn)品；Xllinx公司每種型號的FPGA都有工業(yè)級產(chǎn)品，部分型號的FPGA提供軍品級和宇航級產(chǎn)品。

6.器件的封裝

目前，主流器件的封裝形式有：QFP，BGA和FB-GA，BGA和FBGA封裝器件的管腳密度非常高，設計中必須使用多層板，PCB 布線(xiàn)相當復雜，設計成本比較高，器件焊接成本比較高，因此，設計中能不用盡量不用。

不過(guò)，在密度非常高，集成度非常高和對PCB 板體積要求比較高的應用場(chǎng)合，盡量選用BGA 和FBGA封裝器件。還有一種情況，在電路速度非常高的應用場(chǎng)合，最好選用BGA和FBGA封裝器件，這2種封裝器件由于器件管腳引線(xiàn)電感和分布電容比較小，有利于高速電路的設計。

7.器件的價(jià)格

器件集成度不斷提高，性能不斷上升，而價(jià)位不斷下降是FPGA器件發(fā)展的普遍趨勢，因此，在不斷推出的新型器件中選型是一個(gè)基本規律。以賽靈思公司剛推出的Virtex-5為例，性能比Virtex-4提高30%，而相對價(jià)位卻降低35%。

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