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FPGA開發(fā)流程和FPGA器件選型原理說明

2020-12-23 | pdf | 0.10 MB | 次下載 | 2積分

資料介紹

  器件的選型非常重要,不合理的選型會導(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?。缓侠淼倪x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???,很多型號的 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-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(yīng)用于邏輯設(shè)計(jì)和簡單數(shù)字信號處理,Virtex-4LX 和 Virtex-5LX 系列主要應(yīng)用于高速邏輯設(shè)計(jì),Virtex-4SX 和 Virtex-5SX 系列主要應(yīng)用于高速復(fù)雜數(shù)字信號處理,Virtex-4FX 和 Virtex-5FX 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 QuartusⅡ,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

  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??墒?,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 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(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(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 16MHz 以上,其主流器件 StaTIxⅡ和 StatixⅢ系列中的增強(qiáng)型鎖相環(huán)工作頻率只要求在 4MHz 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 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(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-4FX 和 virtex-5FX 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。

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