电子发烧友网 > 可编程逻辑 > FPGA/ASIC技术 > > 正文

fpga开发流程攻略与fpga器件选型七大原则分享

2020年11月19日 15:39 次阅读

(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-4SX、Virtex-4FX、Virtex-5LX、Virtex-5SX、Virtex-5FX、Spartan-6和Virtex-6等系列,其中Spartan-3E和Spartan-3A系列主要应用于逻辑设计和简单数字信号处理,Virtex-4LX和Virtex-5LX系列主要应用于高速逻辑设计,Virtex-4SX和Virtex-5SX系列主要应用于高速复杂数字信号处理,Virtex-4FX和Virtex-5FX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QuartusⅡ,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

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StaTIxⅡ和StaTIxⅢ系列,赛灵思公司的Virtex-4SX和Virtex-5SX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16MHz以上,其主流器件StaTIxⅡ和StatixⅢ系列中的增强型锁相环工作频率只要求在4MHz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StatixⅡGX和StatixⅢGX系列,赛灵思公司的Virtex-4FX和Virtex-5FX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-4FX和virtex-5FX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:1.5V,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-2ClassⅡ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%。

为了帮助大家了解FPGA硬件资源,掌握FPGA器件选型与电路设计的原则、技巧,我们也针对FPGA工程师学习FPGA硬件选型开设了为期九周的FPGA强化训练营。

如果你还没有掌握基本的硬件基础知识,代码编程与项目开发技巧,工具平台使用能力,也不用担心。我们在为期九周的FPGA工程师就业项目实战营里,也会从易到难,循序渐进地带领新人学习入门逐一指导,既又理论学习还有实战项目,不愁学不会!

以下为我们九周FPGA工程师就业实战营,具体学习内容和每周学习计划安排表:

九周学习计划安排表

长按扫描下方二维码,就可以报名参与学习。FPGA工程师就业实战营第四期,正在报名当中,报名截止11月29日(30日正式开班)

扫一扫立即报名

如果对课程还有疑问,可扫描添加学院助教详细咨询助教甜甜微信:18118775427

原文标题:FPGA开发全攻略:手把手教你做器件选型

文章出处:【微信公众号:电子发烧友网】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播

电子发烧友观察

一线报道 · 深度观察 · 最新资讯
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

写好状态机--从2019年全国FPGA竞赛谈Verilog编码技巧

理解Verilog编码技巧掌握FPGA中状态机的写法掌握非重叠序列检测代器Verilog代码编写
发烧友学院发表于 2020-04-21 00:00 25923次阅读
写好状态机--从2019年全国FPGA竞赛谈Verilog编码技巧

fpga开发板使用教程之在K7上用Ibert实现...

GTX、GTH等具体是什么就不多介绍了,网上有很多。写这个的目的,就是当收到FPGA板卡后,要判断本....
发表于 2020-12-31 15:36 0次阅读
fpga开发板使用教程之在K7上用Ibert实现...

在K7上用Ibert实现基本的GTX测试步骤方案

      GTX、GTH等具体是什么就不多介绍了,网上有很多。写这个的目的,就是当收到FPGA...
发表于 2020-12-31 14:07 0次阅读
在K7上用Ibert实现基本的GTX测试步骤方案

FPGA人才培养“理论”与“实践”两手都要抓

当今社会,随着智能化需求市场变化多来越多、越来越快,FPGA发挥作用越来越大。但FPGA人才却成为困....
发表于 2020-12-31 11:21 121次阅读
FPGA人才培养“理论”与“实践”两手都要抓

在嵌入FPGA的IP核8051微处理器上实现UI...

在FPGA中植入8051后, 还可在上面实现简单的TCP/IP协议, 以支持远程访问或进行远程调试,....
发表于 2020-12-31 10:55 49次阅读
在嵌入FPGA的IP核8051微处理器上实现UI...

基于EP2c35 FPGA和NiosII 软核实...

本文中设计的视频监控系统的基本构成是现场实时采集图像的摄像机、视频解码芯片AD7181B、视频D/A....
发表于 2020-12-30 09:48 88次阅读
基于EP2c35 FPGA和NiosII 软核实...

工程师教你如何快速上手FPGA低功耗设计

对于研发人员而言,大家总是在追求低功耗设计。采用低功耗设计,无疑是能够带来诸多好处。为帮助大家了解如何降低功耗...
发表于 2020-12-30 08:00 158次阅读
工程师教你如何快速上手FPGA低功耗设计

关于使用ps模式配制fpga

看到fpga能使用ps模式在线升级,就用labview弄了个程序尝试了下,把几个需要用到的io从fpga接出来然后通过规定的时序将...
发表于 2020-12-30 00:57 53次阅读
关于使用ps模式配制fpga

赛灵思唐晓蕾:新机遇、新格局,乘风破浪加速赋能智...

2020年是不平凡的一年,纷至沓来的种种变动冲击着全球市场与各行各业。然而,2020年也是危与机并存....
发表于 2020-12-29 19:05 461次阅读
赛灵思唐晓蕾:新机遇、新格局,乘风破浪加速赋能智...

基于SRAM FPGA的汽车系统的解决方案

为了确保现代汽车中各种系统的功能运转正常,必须对元器件提出可靠性数据的要求。虽然人们掌握元器件可靠性....
发表于 2020-12-29 10:40 227次阅读
基于SRAM FPGA的汽车系统的解决方案

非挥性Flash和反熔丝FPGA的设计安全性研究

掩膜成本升高和日渐增加的最小批量要求是当前半导体业界的两种趋势,使FPGA比与其竞争的ASIC具有更....
发表于 2020-12-29 09:54 80次阅读
非挥性Flash和反熔丝FPGA的设计安全性研究

基于FPGA的栈空间管理器的研究和设计

发表于 2020-12-29 09:41 234次阅读
基于FPGA的栈空间管理器的研究和设计

学习FPGA图像处理必须知道的原理和方法

图像在采集和传输的过程中,通常会产生噪声,使图像质量降低,影响后续处理。因此须对图像进行一些图像滤波、图像增强...
发表于 2020-12-29 09:16 168次阅读
学习FPGA图像处理必须知道的原理和方法

UD408G5S1AF 32位 DDR4 SDRAM的特征

支持Xilinx FPGA中的32位 DDR4 SDRAM
发表于 2020-12-29 06:30 0次阅读
UD408G5S1AF 32位 DDR4 SDRAM的特征

ST发布通知:2021年1月1日起全线产品涨价

ST正式发布涨价通知:2021年1月1日起,全线产品涨价!  近日,ST突然发布涨价通知,消息一经发....
发表于 2020-12-28 11:16 342次阅读
ST发布通知:2021年1月1日起全线产品涨价

snickerdoodle高速计算FPGA平台可...

  1 Snickerdoodle---高速计算FPGA平台     snickerdoodle是一....
发表于 2020-12-28 09:52 208次阅读
snickerdoodle高速计算FPGA平台可...

赛灵思两款划时代“利器” 让开发FPGA应用可以...

在大数据和人工智能盛行的今天,金融科技(Fintech)领域数据日益密集和敏感,在高频交易、风险分析....
发表于 2020-12-28 09:50 206次阅读
赛灵思两款划时代“利器” 让开发FPGA应用可以...

数字在屏幕显示控制核的设计与FPGA实现

发表于 2020-12-28 09:31 65次阅读
数字在屏幕显示控制核的设计与FPGA实现

我国FPGA企业该如何抓住新基建带来的发展机遇?

新基建是数字技术的基础设施,具有发展速度快、技术含量高等特点,随着新技术新应用层出不穷,其对计算、架....
发表于 2020-12-28 09:20 307次阅读
我国FPGA企业该如何抓住新基建带来的发展机遇?

FPGA图像处理必备!

图像在采集和传输的过程中,通常会产生噪声,使图像质量降低,影响后续处理。因此须对图像进行一些图像滤波、图像增强...
发表于 2020-12-26 15:57 397次阅读
FPGA图像处理必备!

利用不恢复余数阵列除法和VHDL实现雷达数据接收...

根据系统要求,脉冲雷达高度表通过RS-422串行输出高度数据,要求数据接收模块实时接收,并显示雷达高....
发表于 2020-12-26 09:59 392次阅读
利用不恢复余数阵列除法和VHDL实现雷达数据接收...

FPGA的安全性设计及在应用中的重要性分析

今天的设计人员已经在许多不同的领域中选择FPGA作为首选的解决方案。这些FPGA器件早已超越了原本作....
发表于 2020-12-25 11:51 247次阅读
FPGA的安全性设计及在应用中的重要性分析

Spartan-3E显示器解决方案板增强显示器图...

现在,消费者希望这些平板电视能有一些新的特性,使它们有别于那些拥有较高分辨率、更佳彩色重现和短响应时....
发表于 2020-12-25 11:46 155次阅读
Spartan-3E显示器解决方案板增强显示器图...

基于FPGA的图像数据采集卡及其驱动设计

发表于 2020-12-25 09:58 845次阅读
基于FPGA的图像数据采集卡及其驱动设计

FPGA怎么实现除法操作?

在FPGA中,我们怎么实现除法操作?最简单的方法当然是调IP Core。 在Divider Generator的IP Core中,我...
发表于 2020-12-24 16:06 0次阅读
FPGA怎么实现除法操作?

基于EP1K10TC100-3 FPGA和微控制...

基于 FPGA 的数据采集系统的总体功能模块如下图1 所示。系统有由FPGA、串行被动 配置模块、U....
发表于 2020-12-24 10:24 226次阅读
基于EP1K10TC100-3 FPGA和微控制...

基于DSP芯片TMS320VC33和XCV50T...

选择DSP处理器时主要考虑其运算速度、总线宽度和性价比。本系统采样结构24位,最好选用32位DSP;....
发表于 2020-12-24 09:53 263次阅读
基于DSP芯片TMS320VC33和XCV50T...

异构计算或引发芯片巨头割据战

对英特尔来说,“CPU巨头”的标签已经深入人心。不过,在最近两个月,CPU在英特尔的关注度被软件和独....
发表于 2020-12-24 09:12 305次阅读
异构计算或引发芯片巨头割据战