FPGA开发流程和FPGA器件选型原理说明

　　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。