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电子发烧友网>电子资料下载>电子资料>FPGA开发的攻略教程详细概述

FPGA开发的攻略教程详细概述

2020-12-22 | pdf | 0.15 MB | 次下载 | 免费

资料介绍

  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。

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