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電子發燒友網>電子資料下載>電子資料>FPGA開發的攻略教程詳細概述

FPGA開發的攻略教程詳細概述

2020-12-22 | pdf | 0.15 MB | 次下載 | 2積分

資料介紹

  FPGA 器件的選型非常重要,不合理的選型會導致一系列的后續設計問題,有時甚至會使設計失敗;合理的選型不光可以避免設計問題,而且可以提高系統的性價比,延長產品的生命周期,獲得預想不到的經濟效果。FPGA 器件選型有以下 7 個原則:器件的供貨渠道和開發工具的支持、器件的硬件資源、器件的電氣接口標準、器件的速度等級、器件的溫度等級、器件的封裝和器件的價格。

  1. 器件的供貨渠道和開發工具的支持

  目前,主要的 FPGA 供應商有賽靈思公司Altera 公司、Lattic 公司和 Actel 公司等,FPGA 的發展速度非常快,很多型號的 FPGA 器件已不是主流產品,為了提高產品的生命周期,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-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 系列主要應用于邏輯設計和簡單數字信號處理,Virtex-4 LX 和 Virtex-5 LX 系列主要應用于高速邏輯設計,Virtex-4 SX 和 Virtex-5 SX 系列主要應用于高速復雜數字信號處理,Virtex-4 FX 和 Virtex-5 FX 系列主要應用于嵌入式系統。賽靈思公司有集成開發環境 ISE,Altera 公司有集成開發環境 Quartus Ⅱ,兩個集成開發環境支持本公司所有器件的設計和開發。該集成開發環境不僅功能強大、界面友好,而且有很多第三方合作伙伴提供相應的技術支持,能使器件獲得更高的性能。因此,如果沒有特殊應用要求,建議最好在這兩家公司進行器件選型。

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  2. 器件的硬件資源

  硬件資源是器件選型的重要標準。硬件資源包括邏輯資源、I/O 資源、布線資源、DSP 資源、存儲器資源、鎖相環資源、串行收發器資源和硬核微處理器資源等。邏輯資源和 I /O 資源的需求是每位設計人員最關心的問題,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,一般可以滿足應用需求。可是,在比較復雜的數字系統中,過度 I /O 資源的消耗可能會導致 2 個問題:FPGA 負荷過重,器件發熱嚴重,嚴重影響器件的速度性能、工作穩定性和壽命,設計中要考慮器件的散熱問題;局部布線資源不足,電路的運行速度明顯降低,有時甚至使設計不能適配器件,設計失敗。根據本人的應用經驗:

  (1) 在做復雜數字信號處理時,位數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) 在做邏輯設計時,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計濾波器的應用場合,局部布線資源的消耗量比較大;

  (4) 在電氣接口標準比較多,而邏輯比較復雜的應用場合,局部布線資源的消耗量比較大。

  在做乘法運算比較多而且對速度性能要求比較高的應用場合,最好能選用帶 DSP 資源比較多的器件,例如,Altera 公司的 Statix Ⅱ和 Statix Ⅲ系列,賽靈思公司的 Virtex-4 SX 和 Virtex-5 SX 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;實現小容量高速數據緩存。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,器件價格也非常高。因此,在器件選型時,最好不要片面追求設計的集成度而選用這種器件,可以考慮選用低端器件+外擴存儲器的設計方案。目前,主流 FPGA 中都集成了鎖相環,利用鎖相環對時鐘進行相位鎖定,可以使電路獲得更穩定的性能。賽靈思公司提供的是數字鎖相環,其優點是能獲得更精確的相位控制,其缺點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,其優點是下限工作頻率較低,一般在 16 MHz 以上,其主流器件 Statix Ⅱ和 Statix Ⅲ系列中的增強型鎖相環工作頻率只要求在 4 MHz 以上,其缺點是對時鐘相位的控制精度相對較差。在通訊領域里,用光纖傳輸高速數據是一個比較常用的解決方案。A1tera 公司的 Statix Ⅱ GX 和 Statix Ⅲ GX 系列,賽靈思公司的 Virtex-4 FX 和 Virtex-5 FX 系列都集成了高速串行收發器( 注意:賽靈思 V5 帶 T 的產品都有高速串行收發器,V4、V2P 某些型號也有高速串行收發器),這種器件價格一般都比較高。目前,National 和 Maxim 等公司提供的高性能專用串行收發芯片價格都不高,因此,如果只是進行光纖數據傳輸沒計,大可不必選用這種器件;如果是光纖數據傳輸+邏輯或算法比較復雜的應用場合,最好是將兩種方案進行比較,然后考慮是否選用該器件。利用集成硬核微處理器的 FPGA 器件進行嵌入式開發,代表嵌入式應用的一個方向。賽靈思公司提供集成 PowerPC?的 Virtex-4 FX 和 virtex-5 FX 系列器件。隨著器件價格不斷下降,在很多應用場合,在不增加成本的情況下,選用該器件和傳統 FPGA+MCU 的應用方案相比,能大幅度提高系統性能和降低硬件設計復雜程度。此時,選用該器件是比較理想的。

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