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fpga開發流程攻略與fpga器件選型七大原則分享

2020年11月19日 15:39 次閲讀

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

FPGA器件的選型非常重要,不合理的選型會導致一系列的後續設計問題,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,而且可以提高系統的性價比,延長產品的生命週期,獲得預想不到的經濟效果。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、器件的温度等級、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的發展速度非常快,很多型號的FPGA器件已不是主流產品,為了提高產品的生命週期,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-4SX、Virtex-4FX、Virtex-5LX、Virtex-5SX、Virtex-5FX、Spartan-6和Virtex-6等系列,其中Spartan-3E和Spartan-3A系列主要應用於邏輯設計和簡單數字信號處理,Virtex-4LX和Virtex-5LX系列主要應用於高速邏輯設計,Virtex-4SX和Virtex-5SX系列主要應用於高速複雜數字信號處理,Virtex-4FX和Virtex-5FX系列主要應用於嵌入式系統。

賽靈思公司有集成開發環境ISE,Altera公司有集成開發環境QuartusⅡ,兩個集成開發環境支持本公司所有器件的設計和開發。該集成開發環境不僅功能強大、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。

2.器件的硬件資源

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資源和佈線資源可能產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。可是,在比較複雜的數字系統中,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題;局部佈線資源不足,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。根據本人的應用經驗:

(1)在做複雜數字信號處理時,位數比較高的乘法器和除法器對全局佈線資源的消耗量比較大;

(2)在做邏輯設計時,雙向I/O口對局部佈線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合,局部佈線資源的消耗量比較大;

(4)在電氣接口標準比較多,而邏輯比較複雜的應用場合,局部佈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StaTIxⅡ和StaTIxⅢ系列,賽靈思公司的Virtex-4SX和Virtex-5SX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,利用鎖相環對時鐘進行相位鎖定,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,其優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,其優點是下限工作頻率較低,一般在16MHz以上,其主流器件StaTIxⅡ和StatixⅢ系列中的增強型鎖相環工作頻率只要求在4MHz以上,其缺點是對時鐘相位的控制精度相對較差。

在通訊領域裏,用光纖傳輸高速數據是一個比較常用的解決方案。A1tera公司的StatixⅡGX和StatixⅢGX系列,賽靈思公司的Virtex-4FX和Virtex-5FX系列都集成了高速串行收發器(注意:賽靈思V5帶T的產品都有高速串行收發器,V4、V2P某些型號也有高速串行收發器),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芯片價格都不高,因此,如果只是進行光纖數據傳輸沒計,大可不必選用這種器件;如果是光纖數據傳輸+邏輯或算法比較複雜的應用場合,最好是將兩種方案進行比較,然後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,代表嵌入式應用的一個方向。賽靈思公司提供集成PowerPC的Virtex-4FX和virtex-5FX系列器件。隨着器件價格不斷下降,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複雜程度。此時,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。在複雜數字系統中,經常會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:1.5V,1.5-V等,可以滿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-2ClassⅡ電氣接口標準,此時選用賽靈思公司的FPGA是比較理想的。

4.器件的速度等級

關於器件速度等級的選型,一個基本的原則是:在滿足應用需求的情況下,儘量選用速度等級低的器件。該選型原則有如下好處:

(1)由於傳輸線效應,速度等級高的器件更容易產生信號反射,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,價格經常是成倍增加,而且高速器件的供貨渠道一般比較少,器件的訂貨週期一般都比較長,經常會延誤產品的研發週期,降低產品的上市率。

5.器件的温度等級

某些應用場合,對器件的環境温度適應能力提出了很高的要求,此時,就應該在有工業級甚至是軍品級或宇航級的器件中進行選型。據調研,Altera公司每種型號的FPGA都有工業級產品;Xllinx公司每種型號的FPGA都有工業級產品,部分型號的FPGA提供軍品級和宇航級產品。

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佈線相當複雜,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,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合,儘量選用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合,最好選用BGA和FBGA封裝器件,這2種封裝器件由於器件管腳引線電感和分佈電容比較小,有利於高速電路的設計。

7.器件的價格

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

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原文標題:FPGA開發全攻略:手把手教你做器件選型

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