fpga開發(fā)流程攻略與fpga器件選型七大原則分享

(部分內(nèi)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(dǎo)致一系列的后續(xù)設(shè)計(jì)問題，有時(shí)甚至?xí)乖O(shè)計(jì)失??；合理的選型不光可以避免設(shè)計(jì)問題，而且可以提高系統(tǒng)的性價(jià)比，延長產(chǎn)品的生命周期，獲得預(yù)想不到的經(jīng)濟(jì)效果。FPGA 器件選型有以下7個(gè)原則：器件的供貨渠道和開發(fā)工具的支持、器件的硬件資源、器件的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)、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發(fā)工具的支持

目前，主要的FPGA供應(yīng)商有賽靈思公司、Altera公司、Lattic公司和Actel公司等，F(xiàn)PGA的發(fā)展速度非?？欤芏嘈吞柕腇PGA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(yīng)用于邏輯設(shè)計(jì)和簡單數(shù)字信號處理，Virtex-4 LX 和Virtex-5 LX 系列主要應(yīng)用于高速邏輯設(shè)計(jì)，Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列主要應(yīng)用于高速復(fù)雜數(shù)字信號處理，Virtex-4 FX和Virtex-5 FX系列主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。

賽靈思公司有集成開發(fā)環(huán)境ISE，Altera公司有集成開發(fā)環(huán)境Quartus Ⅱ，兩個(gè)集成開發(fā)環(huán)境支持本公司所有器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。該集成開發(fā)環(huán)境不僅功能強(qiáng)大、界面友好，而且有很多第三方合作伙伴提供相應(yīng)的技術(shù)支持，能使器件獲得更高的性能。因此，如果沒有特殊應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。硬件資源包括邏輯資源、I/O資源、布線資源、DSP 資源、存儲(chǔ)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(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問題，一般都會(huì)考慮到，可是，過度消耗I/O資源和布線資源可能產(chǎn)生的問題卻很容易被忽視。主流FPGA器件中，邏輯資源都比較豐富，一般可以滿足應(yīng)用需求。可是，在比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中，過度I /O資源的消耗可能會(huì)導(dǎo)致2個(gè)問題：FPGA負(fù)荷過重，器件發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重影響器件的速度性能、工作穩(wěn)定性和壽命，設(shè)計(jì)中要考慮器件的散熱問題；局部布線資源不足，電路的運(yùn)行速度明顯降低，有時(shí)甚至使設(shè)計(jì)不能適配器件，設(shè)計(jì)失敗。根據(jù)本人的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)：

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

(2) 在做邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，雙向I /O口對局部布線資源的消耗量比較大；

(3) 在利用存儲(chǔ)器資源設(shè)計(jì)濾波器的應(yīng)用場合，局部布線資源的消耗量比較大；

(4) 在電氣接口標(biāo)準(zhǔn)比較多，而邏輯比較復(fù)雜的應(yīng)用場合，局部布線資源的消耗量比較大。

在做乘法運(yùn)算比較多而且對速度性能要求比較高的應(yīng)用場合，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(chǔ)器資源主要有2種用途：作高性能濾波器；實(shí)現(xiàn)小容量高速數(shù)據(jù)緩存。這是一種比較寶貴的硬件資源，一般器件中的存儲(chǔ)器資源都不太多，存儲(chǔ)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(shè)計(jì)的集成度而選用這種器件，可以考慮選用低端器件+外擴(kuò)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)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(wěn)定的性能。賽靈思公司提供的是數(shù)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(qiáng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸沒計(jì)，大可不必選用這種器件；如果是光纖數(shù)據(jù)傳輸+邏輯或算法比較復(fù)雜的應(yīng)用場合，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)行嵌入式開發(fā)，代表嵌入式應(yīng)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。隨著器件價(jià)格不斷下降，在很多應(yīng)用場合，在不增加成本的情況下，選用該器件和傳統(tǒng)FPGA+MCU的應(yīng)用方案相比，能大幅度提高系統(tǒng)性能和降低硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。此時(shí)，選用該器件是比較理想的。

3.電氣接口標(biāo)準(zhǔn)

目前，數(shù)字電路的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)非常多。在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多種電氣接口標(biāo)準(zhǔn)。目前，主流FPGA 器件支持的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)有：1．5 V，1．5-V 等，可以滿足絕大部分應(yīng)用設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，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：在滿足應(yīng)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) 由于傳輸線效應(yīng)，速度等級高的器件更容易產(chǎn)生信號反射，設(shè)計(jì)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，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(yīng)用場合，對器件的環(huán)境溫度適應(yīng)能力提出了很高的要求，此時(shí)，就應(yīng)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(jù)調(diào)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(shè)計(jì)中必須使用多層板，PCB 布線相當(dāng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本比較高，器件焊接成本比較高，因此，設(shè)計(jì)中能不用盡量不用。

不過，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(yīng)用場合，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(yīng)用場合，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電感和分布電容比較小，有利于高速電路的設(shè)計(jì)。

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(guī)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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