FPGA开发全攻略手把手教你做器件选型.docx

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1、FPGA器件的选型非常重要，不合理的选型会导致一系列的后续设计问题，有时甚至会使设计失败；合理的选型不光可以避免设计问题，而且可以提高系统的性价比，延长产品的生命周期，获得预想不到的经济效果。FPGA器件选型有以下7个原则：器件的供货渠道和开发工具的支持、器件的硬件资源、器件的电气接口标准、器件的速度等级、器件的温度等级、器件的封装和器件的价格。1 .器件的供货渠道和开发工具的支持目前，主要的FPGA供应商有赛灵思公司、Altera公司、LattiC公司和ACteI公司等，FPGA的发展速度非常快，很多型号的FPGA器件已不是主流产品，为了提高产品的生命周期，最好在货源比较足的主流器件中选型。

2、XllinX公司的主流器件有SPartan-3E、Spartan-3AVirteX-4LX、Virtex-4SXVirtex-4FXVirtex-5LX、Virtex-5SXsVirtex-5FXSPartan-6和VirteX-6等系列，其中SPartan-3E和Spartan-3A系列主要应用于逻辑设计和简单数字信号处理，Virtex-4LX和Virtex-5LX系列主要应用于高速逻辑设计，Virtex-4SX和Virtex-5SX系列主要应用于高速复杂数字信号处理，Virtex-4FX和Virtex-5FX系列主要应用于嵌入式系统。赛灵思公司有集成开发环境ISE,AItera公司有集成开

3、发环境QUartUSII,两个集成开发环境支持本公司所有器件的设计和开发。该集成开发环境不仅功能强大、界面友好，而且有很多第三方合作伙伴提供相应的技术支持，能使器件获得更高的性能。因此，如果没有特殊应用要求，建议最好在这两家公司进行器件选型。2 .器件的硬件资源硬件资源是器件选型的重要标准。硬件资源包括逻辑资源、1/0资源、布线资源、DSP资源、存储器资源、锁相环资源、串行收发器资源和硬核微处理器资源等O逻辑资源和I/O资源的需求是每位设计人员最关心的问题,一般都会考虑到,可是,过度消耗I/O资源和布线资源可能产生的问题却很容易被忽视。主流FPGA器件中，逻辑资源都比较丰富，一般可以满足应用需

4、求。可是，在比较复杂的数字系统中，过度I/O资源的消耗可能会导致2个问题：FPGA负荷过重，器件发热严重，严重影响器件的速度性能、工作稳定性和寿命，设计中要考虑器件的散热问题；局部布线资源不足，电路的运行速度明显降低，有时甚至使设计不能适配器件，设计失败。根据本人的应用经验：(1)在做复杂数字信号处理时.，位数比较高的乘法器和除法器对全局布线资源的消耗量比较大；(2)在做逻辑设计时，双向I/O口对局部布线资源的消耗量比较大；(3)在利用存储器资源设计滤波器的应用场合，局部布线资源的消耗量比较大；(4)在电气接口标准比较多，而逻辑比较复杂的应用场合，局部布线资源的消耗量比较大。在做乘法运算比较多

5、而且对速度性能要求比较高的应用场合，最好能选用带DSP资源比较多的器件,例如,AItera公司的StatiX11和StatiXIn系列,赛灵思公司的VirteX-4SX和VirteX-5SX系列等。器件中的存储器资源主要有2种用途：作高性能滤波器；实现小容量高速数据缓存。这是一种比较宝贵的硬件资源，一般器件中的存储器资源都不太多，存储器资源较多的器件逻辑容量也非常大，用得也比较少，供货渠道也不多，器件价格也非常高。因此，在器件选型时，最好不要片面追求设计的集成度而选用这种器件，可以考虑选用低端器件+外扩存储器的设计方案。目前，主流FPGA中都集成了锁相环，利用锁相环对时钟进行相位锁定，可以使电

6、路获得更稳定的性能。赛灵思公司提供的是数字锁相环，其优点是能获得更精确的相位控制，其缺点是下限工作频率较高，一般在24MHZ以上；Altera公司提供的是模拟锁相环，其优点是下限工作频率较低，一般在16MHZ以上，其主流器件Statix11和StatixHI系列中的增强型锁相环工作频率只要求在4MHz以上，其缺点是对时钟相位的控制精度相对较差。在通讯领域里，用光纤传输高速数据是一个比较常用的解决方案。Altera公司的StatixIIGX和StatixIIIGX系列，赛灵思公司的VirteX-4FX和VirteX-5FX系列都集成了高速串行收发器（注意：赛灵思V5带T的产品都有高速串行收发器，

7、V4、V2P某些型号也有高速串行收发器），这种器件价格一般都比较高。目前，NatiOnal和MaXim等公司提供的高性能专用串行收发芯片价格都不高，因此，如果只是进行光纤数据传输没计，大可不必选用这种器件；如果是光纤数据传输+逻辑或算法比较复杂的应用场合，最好是将两种方案进行比较，然后考虑是否选用该器件。利用集成硬核微处理器的FPGA器件进行嵌入式开发,代表嵌入式应用的一个方向。赛灵思公司提供集成PoWerPCTM的Virtex-4FX和virtex-5FX系列器件。随着器件价格不断下降，在很多应用场合，在不增加成本的情况下，选用该器件和传统FPGA+MCU的应用方案相比，能大幅度提高系统性能

8、和降低硬件设计复杂程度。此时，选用该器件是比较理想的。3 .电气接口标准目前，数字电路的电气接口标准非常多。在复杂数字系统中，经常会出现多种电气接口标准。目前，主流FPGA器件支持的电气接口标准有：1.5V,1.5-V等，可以满足绝大部分应用设计需求。HSTLClasshL5-VHSTLClassQL8V.L8-VHSTLClasshl.8-VHSTLC1ms112.5V3.3-VPCU3.3-VPC1-X.3.3-VPCMLAGP1XAGP2X.CompactPCI.CTT.DifferentialL5-VHSTLClal.Differential1.8-VHSTLClassLDiffere

9、ntial1.8-VHSTLClass11LVPECL.LVDS.GTLGTL+HypcrTrans-port*LVCMOStLVTTLSSTL-18Clasd.SSTL-18Cla11SSTL-2ClasshSSTL-2ClassH,SSTL-3Clasd.SSTL-3Cla11,DifferentialSSTL-2赛灵思公司的FPGA几乎所有的管脚都支持SSTL-2ClassII电气接口标准，此时选用赛灵思公司的FPGA是比较理想的。4 .器件的速度等级关于器件速度等级的选型，一个基本的原则是：在满足应用需求的情况下，尽量选用速度等级低的器件。该选型原则有如下好处：(1)由于传输线效应，速

10、度等级高的器件更容易产生信号反射，设计要在信号的完整性上花更多的精力；(2)速度等级高的器件一般用得比较少，价格经常是成倍增加，而且高速器件的供货渠道一般比较少，器件的订货周期一般都比较长，经常会延误产品的研发周期，降低产品的上市率。5 .器件的温度等级某些应用场合，对器件的环境温度适应能力提出了很高的要求，此时，就应该在有工业级甚至是军品级或宇航级的器件中进行选型。据调研，Altera公司每种型号的FPGA都有工业级产品;XllinX公司每种型号的FPGA都有工业级产品，部分型号的FPGA提供军品级和宇航级产品。6 .器件的封装目前，主流器件的封装形式有：QFP,BGA和FB-GA,BGA和

11、FBGA封装器件的管脚密度非常高，设计中必须使用多层板，PCB布线相当复杂，设计成本比较高，器件焊接成本比较高，因此，设计中能不用尽量不用。不过，在密度非常高，集成度非常高和对PCB板体积要求比较高的应用场合，尽量选用BGA和FBGA封装器件。还有一种情况，在电路速度非常高的应用场合，最好选用BGA和FBGA封装器件，这2种封装器件由于器件管脚引线电感和分布电容比较小，有利于高速电路的设计。7 .器件的价格器件集成度不断提高，性能不断上升，而价位不断下降是FPGA器件发展的普遍趋势，因此，在不断推出的新型器件中选型是一个基本规律。以赛灵思公司刚推出的Virtex-5为例，性能比Virtex-4

12、提高30%,而相对价位却降低35%。FPGA芯片选型十步FPGA全称是FieldProgrammableGateArray,中文名是现场可编程门阵列，是一种硬件可重构的集成电路芯片，现场可编程性是FPGA的最大特点。FPGA芯片灵活性高、应用开发成本低、上市时间短等优势使其应用场景覆盖了包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等广泛的下游市场。图1、英特尔AgilexFPGAFPGA由可编程的逻辑单元(LOgiCCel1)、和外部进行信号交互的输入输出单元(InPUtOutputBIOCk)与连接前两种元素的开关连线阵列(SWitChBoX)共三个部分构成。从产品发展角度

13、，先进工艺(制程)、先进封装可以提升FPGA容量，而同工艺下优化基础单元LC的设计及其他系统设计可以提升FPGA的性能，同时软件的持续优化、丰富的软核IP库也是不同厂商竞争力高低的体现。FPGA的类型从内部实现机理来讲，可以分为基于SRAM技术、基于反熔丝技术、基于EEPROM/Flash技术。就电路结构来讲，FPGA可编程是指三个方面的可编程:可编程逻辑块、可编程I/O、可编程布线资源。可编程逻辑块是FPGA可编程的核心。1/0单元内部布线逻辑单元时钟网络图2、FPGA结构图1、FPGA优势所在随着传统产业的升级迭代、新兴产业的快速发展，信息数据的规模呈指数级增长，集成电路下游应用场景不断丰

14、富。而在摩尔定律的发展规则下，现阶段集成电路性能提升速度已无法满足数据增长对计算性能需求的增长速度。因此在芯片材料等基础技术未取得突破前，一种有效的解决方法就是采用专用“CPU+协处理器”来提升处理性能。现有的协处理器主要有FPGA、GPU和ASIC专用芯片，其中FPGA芯片由于其独特的架构拥有其他协处理器无法比拟的优势：灵活性：在数据密集型任务的执行中，ASlC专用芯片作为协处理器在吞吐量、延迟和功耗三方面具有优势，GPU在峰值性能和内存接口带宽上具有优势，但ASlC和GPU受制于功能的固化，应用范围较为狭窄。相较于ASIC专用芯片和GPU,FPGA芯片拥有更高的灵活性和更丰富的选择性，在5

15、G初期这种特性尤为重要。通过对FPGA编程，用户可随时改变芯片内部的连接结构，实现任何逻辑功能。尤其是在技术标准尚未成熟或发展更迭速度快的行业领域，FPGA能有效帮助企业降低投资风险及沉没成本，是一种兼具功能性和经济效益的选择。此外，FPGA还可在不同的业务需求之间灵活调配，以放大经济效益，如白天用于搜索业务排序的处理器，晚上工作量较少的情况下，可将其中FPGA重新配置成离线数据分析的模块，提供离线数据分析服务，提升设备利用率。并行性：CPU、GPU都属于冯诺依曼结构，该结构具有软件编程的顺序特性。在执行任务时，执行单元需按顺序通过取值、译码、执行、访存以及写回等一系列流程完成数据处理，且多方

16、共享内存导致部分任务需经访问仲裁，从而产生任务延时。而FPGA是典型的硬件逻辑，每个逻辑单元与周围逻辑单元的连接构造在重编程（烧写）时就己经确定，寄存器和片上内存属于各自的控制逻辑,无需通过指令译码、共享内存来通信，各硬件逻辑可同时并行工作，大幅提升数据处理效率。尤其是在执行重复率较高的大数据量处理任务时，FPGA相比CPU等优势明显。四类主流芯片对比CPUGPUFPGAASIC定制化程度通用通用半定制化全定制化灵活性高高高低成本低高较高低功耗低高较高低优点主频高、管理及协调能力强、指令处理和计算能力强计算能力强、产品成熟平均性能较高、并行计算能力强、灵活性强平均性能强、体积小缺点运算能力弱、核处理数少效率不高、编