作者： Hello，Panda

一、寫在前面

FPGA 是可編程芯片，因此FPGA 的設(shè)計(jì)方法包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件包括 FPGA 芯片電路、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路以及其他設(shè)備；軟件即是相應(yīng)的 HDL 程序以及最新非常流行的基于高層次綜合的程序方法，如Xilinx的一系列工具HLS、SDSoC和Altera的SoC EDS等。

（1）選擇FPGA（SoC）的若干理由

a）FPGA具有現(xiàn)場(chǎng)可編程能力，即使產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)，也可根據(jù)特殊應(yīng)用重新配置硬件；

b）FPGA具有強(qiáng)大的并行處理能力；

c）FPGA具有比ASIC設(shè)計(jì)更短的設(shè)計(jì)周期和更低設(shè)計(jì)成本；

d）FPGA比較易用；

e）隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，F(xiàn)PGA 越來(lái)越成為一種融合處理、HBM存儲(chǔ)、接口于一體的超級(jí)芯片。

（2）設(shè)計(jì)提醒

強(qiáng)烈推薦FPGA設(shè)計(jì)遵循自頂向下的設(shè)計(jì)流程，也就是說(shuō)從系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)開始，劃分為若干個(gè)二級(jí)單元，然后再把各個(gè)二級(jí)單元?jiǎng)澐譃橄乱粚哟蔚幕締卧?，一直下去，直到能夠使用基本模塊或者IP 核直接實(shí)現(xiàn)為止。

需要特別提醒的是，大規(guī)模邏輯設(shè)計(jì)必須先有完整明確的需求和實(shí)現(xiàn)方案后再啟動(dòng)硬件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)。否則，任何一個(gè)小的改動(dòng)都可能導(dǎo)致極大的糾正成本甚至整個(gè)系統(tǒng)全盤推翻重來(lái)。

二、設(shè)計(jì)小Tips

（1）明確FPGA設(shè)計(jì)需求

和所有的設(shè)計(jì)一樣，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)迭代過(guò)程，首先是有一個(gè)系統(tǒng)的想法，然后將這一想法細(xì)化到具體交易中。

圖1 需求評(píng)估拓?fù)?/p>

（2）如何選型

FPGA的硬件設(shè)計(jì)選型主要考慮如下因素：

1)器件的供貨渠道和開發(fā)工具支持

2)器件的硬件資源

a)邏輯資源；

b) IO資源（FPGA負(fù)荷過(guò)重、發(fā)熱，影響速度、穩(wěn)定性和壽命）；

c) 布線資源（影響速度）；

d)DSP(乘法器、矢量浮點(diǎn)加速器)資源；

e)存儲(chǔ)器資源（內(nèi)部RAM塊和內(nèi)部和外部的DDR/SRAM）等；

f) 時(shí)鐘資源；

g) 串行收發(fā)器；

h) 硬核及集成塊。

3)器件的電氣接口特性

4) 器件的速度等級(jí)

5) 器件的封裝和價(jià)格等

（3）嵌入式設(shè)計(jì)流程

圖2 設(shè)計(jì)流程

這個(gè)流程看上去有點(diǎn)像操作系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，硬件就是FPGA邏輯和底層單元；中間件就是平臺(tái)相關(guān)的可以重復(fù)利用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和接口；應(yīng)用層執(zhí)行產(chǎn)品的核心功能。這三個(gè)層級(jí)是向下驗(yàn)證的，最后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成和驗(yàn)證。

更為具體的，針對(duì)某種器件，嵌入式工程師的主要工作如下：

圖3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

三、FPGA的幾種典型應(yīng)用

a）運(yùn)動(dòng)控制。需要高性能的工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域；

b）電視廣播。SDI接口已經(jīng)圖像流的優(yōu)化重構(gòu)和壓縮；

c）通信領(lǐng)域。處理通信過(guò)程中的海量并行數(shù)據(jù)流；

d）汽車輔助駕駛。屬于對(duì)圖像處理、圖形、控制的集大成應(yīng)用；

e）高性能計(jì)算。數(shù)據(jù)庫(kù)、金融市場(chǎng)加速、地震和醫(yī)學(xué)成像、矩陣數(shù)學(xué)、AI、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用等；

f）高端服務(wù)器；

g）IO和總線擴(kuò)展、橋接。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，器件的集成度越來(lái)越高，集成的硬核和功能塊也越來(lái)越豐富。FPGA各廠商面向不同層次的應(yīng)用也在不斷的拓展，F(xiàn)PGA必將褪下它貴族的臉孔走入尋常百姓家。

圖4 ADAS應(yīng)用

圖5 云計(jì)算應(yīng)用

圖6 無(wú)線通信系統(tǒng)

圖7 控制系統(tǒng)與4G/5G通信

編輯：hfy