fpga开发流程攻略与fpga器件选型七大原则分享

童鹏、胡以华 发表于 2020-11-19 15:39:56 收藏 已收藏
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fpga开发流程攻略与fpga器件选型七大原则分享

童鹏、胡以华 发表于 2020-11-19 15:39:56

(部分内容整合自以下作者,在此特别鸣谢!    作者: 童 鹏、胡以华/中科院上海技术物理研究所)   

         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Actel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。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系列主要应用于逻辑设计和简单数字信号处理,Virtex-4 LX 和Virtex-5 LX 系列主要应用于高速逻辑设计,Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列主要应用于高速复杂数字信号处理,Virtex-4 FX和Virtex-5 FX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,Altera公司有集成开发环境Quartus Ⅱ,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、I/O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。

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,Altera公司的Statix Ⅱ和Statix Ⅲ系列,赛灵思公司的Virtex-4 SX和Virtex-5 SX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16 MHz以上,其主流器件Statix Ⅱ和Statix Ⅲ系列中的增强型锁相环工作频率只要求在4 MHz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。A1tera公司的Statix Ⅱ GX 和Statix Ⅲ GX系列,赛灵思公司的Virtex-4 FX和Virtex-5 FX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,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PowerPC的Virtex-4 FX和virtex-5 FX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:1.5 V,1.5-V 等,可以满足绝大部分应用设计需求。

赛灵思公司的FPGA几乎所有的管脚都支持SSTL-2 Class Ⅱ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提高30%,而相对价位却降低35%。

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原文标题:FPGA开发全攻略:手把手教你做器件选型

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