FPGA開發(fā)的攻略教程詳細概述

　　FPGA 器件的選型非常重要，不合理的選型會導致一系列的后續(xù)設計問題，有時甚至會使設計失敗；合理的選型不光可以避免設計問題，而且可以提高系統(tǒng)的性價比，延長產(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?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單數(shù)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(shù)字信號處理，Virtex-4 FX 和 Virtex-5 FX 系列主要應用于嵌入式系統(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，兩個集成開發(fā)環(huán)境支持本公司所有器件的設計和開發(fā)。該集成開發(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支持，能使器件獲得更高的性能。因此，如果沒有特殊應用要求，建議最好在這兩家公司進行器件選型。

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　　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心的問題，一般都會考慮到，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，一般可以滿足應用需求?？墒?，在比較復雜的數(shù)字系統(tǒng)中，過度 I /O 資源的消耗可能會導致 2 個問題：FPGA 負荷過重，器件發(fā)熱嚴重，嚴重影響器件的速度性能、工作穩(wěn)定性和壽命，設計中要考慮器件的散熱問題；局部布線資源不足，電路的運行速度明顯降低，有時甚至使設計不能適配器件，設計失敗。根據(jù)本人的應用經(jīng)驗：

　?。?） 在做復雜數(shù)字信號處理時，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；

　?。?） 在做邏輯設計時，雙向 I /O 口對局部布線資源的消耗量比較大；

　?。?） 在利用存儲器資源設計濾波器的應用場合，局部布線資源的消耗量比較大；

　?。?） 在電氣接口標準比較多，而邏輯比較復雜的應用場合，局部布線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，器件價格也非常高。因此，在器件選型時，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)對時鐘進行相位鎖定，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)點是能獲得更精確的相位控制，其缺點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，其缺點是對時鐘相位的控制精度相對較差。在通訊領域里，用光纖傳輸高速數(shù)據(jù)是一個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)芯片價格都不高，因此，如果只是進行光纖數(shù)據(jù)傳輸沒計，大可不必選用這種器件；如果是光纖數(shù)據(jù)傳輸+邏輯或算法比較復雜的應用場合，最好是將兩種方案進行比較，然后考慮是否選用該器件。利用集成硬核微處理器的 FPGA 器件進行嵌入式開發(fā)，代表嵌入式應用的一個方向。賽靈思公司提供集成 PowerPC?的 Virtex-4 FX 和 virtex-5 FX 系列器件。隨著器件價格不斷下降，在很多應用場合，在不增加成本的情況下，選用該器件和傳統(tǒng) FPGA+MCU 的應用方案相比，能大幅度提高系統(tǒng)性能和降低硬件設計復雜程度。此時，選用該器件是比較理想的。