FPGA开发全攻略手把手教你做器件选型.docx

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ACteI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-5SXsVirtex-5FXSPartan-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,AItera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 .器件的硬件资源硬件资源是器件选型的重要标准。硬件资源包括逻辑资源、1/0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O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,AItera公司的StatiX11和StatiXIn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Statix11和StatixHI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。Altera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PoWerPCTM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。HSTLClasshL5-VHSTLClassQL8V.L8-VHSTLClasshl.8-VHSTLC1ms112.5V3.3-VPCU3.3-VPC1-X.3.3-VPCMLAGP1X>AGP2X.CompactPCI.CTT.DifferentialL5-VHSTLClal.Differential1.8-VHSTLClassLDifferential1.8-VHSTLClass11LVPECL.LVDS.GTLGTL+HypcrTrans-port*LVCMOStLVTTLSSTL-18Clasd.SSTL-18Cla11SSTL-2ClasshSSTL-2ClassH,SSTL-3Clasd.SSTL-3Cla11,DifferentialSSTL-2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%。FPGA芯片选型十步FPGA全称是FieldProgrammableGateArray,中文名是现场可编程门阵列，是一种硬件可重构的集成电路芯片，现场可编程性是FPGA的最大特点。FPGA芯片灵活性高、应用开发成本低、上市时间短等优势使其应用场景覆盖了包括工业控制、网络通信、消费电子、数据中心、汽车电子、人工智能等广泛的下游市场。图1、英特尔AgilexFPGAFPGA由可编程的逻辑单元(LOgiCCel1)、和外部进行信号交互的输入输出单元(InPUtOutputBIOCk)与连接前两种元素的开关连线阵列(SWitChBoX)共三个部分构成。从产品发展角度，先进工艺(制程)、先进封装可以提升FPGA容量，而同工艺下优化基础单元LC的设计及其他系统设计可以提升FPGA的性能，同时软件的持续优化、丰富的软核IP库也是不同厂商竞争力高低的体现。FPGA的类型从内部实现机理来讲，可以分为基于SRAM技术、基于反熔丝技术、基于EEPROM/Flash技术。就电路结构来讲，FPGA可编程是指三个方面的可编程:可编程逻辑块、可编程I/O、可编程布线资源。可编程逻辑块是FPGA可编程的核心。1/0单元内部布线逻辑单元时钟网络图2、FPGA结构图1、FPGA优势所在随着传统产业的升级迭代、新兴产业的快速发展，信息数据的规模呈指数级增长，集成电路下游应用场景不断丰富。而在摩尔定律的发展规则下，现阶段集成电路性能提升速度已无法满足数据增长对计算性能需求的增长速度。因此在芯片材料等基础技术未取得突破前，一种有效的解决方法就是采用专用“CPU+协处理器”来提升处理性能。现有的协处理器主要有FPGA、GPU和ASIC专用芯片，其中FPGA芯片由于其独特的架构拥有其他协处理器无法比拟的优势：灵活性：在数据密集型任务的执行中，ASlC专用芯片作为协处理器在吞吐量、延迟和功耗三方面具有优势，GPU在峰值性能和内存接口带宽上具有优势，但ASlC和GPU受制于功能的固化，应用范围较为狭窄。相较于ASIC专用芯片和GPU,FPGA芯片拥有更高的灵活性和更丰富的选择性，在5G初期这种特性尤为重要。通过对FPGA编程，用户可随时改变芯片内部的连接结构，实现任何逻辑功能。尤其是在技术标准尚未成熟或发展更迭速度快的行业领域，FPGA能有效帮助企业降低投资风险及沉没成本，是一种兼具功能性和经济效益的选择。此外，FPGA还可在不同的业务需求之间灵活调配，以放大经济效益，如白天用于搜索业务排序的处理器，晚上工作量较少的情况下，可将其中FPGA重新配置成离线数据分析的模块，提供离线数据分析服务，提升设备利用率。并行性：CPU、GPU都属于冯诺依曼结构，该结构具有软件编程的顺序特性。在执行任务时，执行单元需按顺序通过取值、译码、执行、访存以及写回等一系列流程完成数据处理，且多方共享内存导致部分任务需经访问仲裁，从而产生任务延时。而FPGA是典型的硬件逻辑，每个逻辑单元与周围逻辑单元的连接构造在重编程（烧写）时就己经确定，寄存器和片上内存属于各自的控制逻辑,无需通过指令译码、共享内存来通信，各硬件逻辑可同时并行工作，大幅提升数据处理效率。尤其是在执行重复率较高的大数据量处理任务时，FPGA相比CPU等优势明显。四类主流芯片对比CPUGPUFPGAASIC定制化程度通用通用半定制化全定制化灵活性高高高低成本低高较高低功耗低高较高低优点主频高、管理及协调能力强、指令处理和计算能力强计算能力强、产品成熟平均性能较高、并行计算能力强、灵活性强平均性能强、体积小缺点运算能力弱、核处理数少效率不高、编程强度大峰值计算能力较弱、编程语言难度大不可编辑、研发时间长、技术风险较高图3、四类主流芯片对比用量较小时的成本优势：ASIC等方案有固定成本，而FPGA方案几乎没有。对客户而言，由于FPGA方案无需支付高额的流片成本，也不用承担流片失败风险，对于小批量多批次的专用控制设备，FPGA方案的成本低于ASIC等方案，具有成本优势。综上，FPGA不仅拥有软件的可编程性和灵活性，还兼具硬件的并行性和低延时性，在上市周期、成本上也具有优势。因此，在5G通信、人工智能等具有较频繁的迭代升级周期、较大的技术不确定性的领域，FPGA是较为理想的解决方案。2、PGA市场现状根据Frost&Sullivan发布的数据显示，2021年全球FPGA市场规模为68.6亿美元，相较2020年的60.8亿美元，同比增长12.8%o对于未来发展趋势，Frost&Sullivan预测，全球FPGA需求将从2021年的68.6亿美元增长至2025年的125.8亿美元，年均复合增长率约为16.4%o虽然市场体量增长趋于乐观，但是经过40多年的发展，FPGA的全球竞争格局已经相当稳定。目前全球FPGA主要供应商包括AMD（赛灵思）、英特尔（阿尔特拉）、莱迪思和微芯（美高森美）等，2021年这四家行业寡头的市占率分别达到了51%、29%、7%和6%,累计占据全球93%的FPGA市场份额。2021年全球FPGA市场分布情况7%AMD(XiIinx)"Intel(AItera)»LatticeMicrochip(Microsemi)Other图4、2021年全球FPGA市场分布情况从下游应用市场角度来看，FPGA芯片下游涉及通信、工业、军工/航天、汽车和数据中心等领域，其中通信市场占比最高，且有望持续提升，而在以上领域中，汽车预计增速最快。国产FPGA厂商以复旦微、紫光同创、安路科技等为代表。国内厂商在技术水平、成本控制能力、软件易用性等方面都与头部FPGA厂商存在较大的差距，市场份额较小，在2021年仅占据国内16%市场份额。在FPGA这一重要领域实现国产替代具有紧迫性和必要性。以复旦微为例，复旦微目前已率先采用28nm工艺制程实现了亿门级FPGA芯片的量产出货；但与赛灵思等国际领先厂商相比，仍然存在一定的差距。3、FPGA选型工程师在产品设计开发时，如何选择一款符合设计需求的FPGA芯片？第一步：选定器件特色操作：第一个关注的应该是FPGA器件的专用资源。1、高速BANK的引脚若需要高速接口，需要多少个通道，各个通道需要的最高收发速度是多少。工艺制程影响着门级规模，越高的制程工艺，那么在同样面积大小的晶圆上就可以做出更大规模的门级电路，当然也具有更大的设计空间。2、18*18的乘法器若需要实现运算量较大的算法模块时,则要求FPGA器件需要有大量的DSP模块，并拥有足够多的RAM块来配合这些DSP模块。3、PLL锁相环数量4、IP核，包括两方面：一是芯片厂家的IP核的丰富性，如果提供足够多的IP核，覆盖我们的设计，当然是最好不过的；RAM/FIFO/ROM等；二是芯片厂家是否愿意以可接受的价格（更多可能是免费）的方式将这些IP核提供给我们。LVDSeDPMIPI网口等。IP核的使用可以大大减少开发周期，缩短工时，降低开发成本，因此选型时也需要考虑这部分。第二步：规模大小（逻辑量）推荐：第一版本，项目所需逻辑量占芯片总逻辑量的60%以内。后续还需要升级版本，需要预留部分引脚和逻辑量。操作：在选型时，因为FPGA设计还未开始，很难确定FPGA器件的规模。通常的做法：针对本次设计中想要用的FPGA器件系列，重新编译之前的某些功能模块，以便获得一个大致正确的规模估计。如果设计中使用了1P,这些IP核也需要编译后，加入到总面积估算中。再将需要加入的新功能进行设计估算。两方面加起来后，在此基础上预估再增加20%-30%,基本上可以满足之后的设计需求。甚至有时，现有的嵌入式逻辑分析仪也需要耗费内部存储模块，调试过程的资源消耗可能也需要考虑在内。若FPGA留有余量：避免时序收敛对设计的影响，减少开发周期，快速进入板上调试阶段；则对设计后期修改或产品版本更新所增加的逻辑单元，就能比较容易的被接纳;设计在FPGA上正常运行后，如果FPGA上有大量未使用的资源，此时可以考虑换区一个比较小的器件以降低成本，这时候要注意的就是引脚在移植代码时的修改问题。第三步：SerDeS速度需求SerDeS的传输速率，直接影响FPGA在进行高速数据传输、处理时的性能。首先需要分析功能需求，然后在平衡资源与速度后，估计速度需求。同样也可以根据之前的设计来确定，根据FPGA供应商提供的datasheet,在最大速度的基础上，留出足够的安全余量，确定选型。当然，也可以直接选择同类型的速度等级最高的器件，尽早的进入设计调试阶段。等功能完善之后，再选用一个较慢的FPGA器件来做降成本的设计。推荐：尽量不用选择某一系列里最低速度等级的芯片，不是晶圆靠近中心的位置，器件的稳定性需要考量。第四步：引脚设计需要I/O接口类型，直接影响到FPGA器件所需要的引脚数目和封装类型。在此必须知道I/O标准和驱动强度，以及外部的接口电气标准。甚至有时候调试阶段，也需要预留部分引脚作为调试引脚（内嵌逻辑分析仪的资源不够时）。综合：需要确定“芯片总引脚”和“差分对引脚”；芯片引脚=专用引脚（配置引脚+DDR345专用弓I脚+高速BANK差分对引脚）+用户引脚（差分对引脚+单端引脚）。第五步：器件的生命周期一些老旧器件可能会面临停产的风险，如果开发周期超过两年以上，建议选择最新或者次新的器件，因为几年后，目前最新或者次新的FPGA器件在经济上是比较划算的，也不用担心停产，导致供货不足影响产品出货。第六步：功耗FPGA工艺制程直接影响芯片的功耗、性能和成本，如果功耗过大，那么在硬件设计时就需要考虑电源的功率和散热问题。根据设计的功能需求，确定FPGA需要使用的电源。例如对IP核、I/O、transceiver等模块，提供各自独立的电源层，FPGA需要的电源个数越多，电路板上的元器件成本就越高。所以需要根据之前的设计、FPGA供应商提供的功耗评估软件等估算将要消耗的功耗，从而确定所需的器件。第七步：器件的兼容性、生态和知识产权问题国产FPGA是从逆向设计转到自主研发的，有的国内FPGA厂商提供有完全兼容赛灵思、阿尔特拉部分型号的FPGA芯片，对于这类产品，需要考虑FPGA硬件和软件的兼容性。硬件方面，是Pin对Pin兼容，可以无需修改电路直接替换，还是需要做一些改动，比如高速接口的阻抗匹配、走线长度等等。软件方面,需要考虑开发工具的兼容性，比如FPGA开发、调试、下载工具，MeU开发工具，IP核和RTL级代码、原语的兼容性等等，是否需要在原来的开发环境基础上安装额外的补丁包来适配。另外，如果你的产品需要出口到国外地区进行销售,使用兼容型号的FPGA芯片，可能会涉及到知识产权问题，要和芯片厂商沟通确认。对于一些国产FPGA器件，其开发软件稳定性较低，可能会额外增加开发成本，提高风险，因此在选型时，需注意；如果是完全自主研发的FPGA芯片，需要考虑芯片的生态，包括开发图形化EDA开发工具的使用，对第三方工具的支持，如MOdelSim,是否支持Verilog/VHDL混合编程，提供的IP核的丰富程度，开发板，芯片手册/应用文档等。但也有优点，国产厂商的服务非常好，有问题的话，能很快反馈信息。第八步：可靠性、稳定性和一致性器件在高低温、强辐射等极端环境下的性能表现：FPGA通常应用在一些需要高速、实时处理的场景，可靠性、稳定性极为重要。芯片在不同温度、湿度、震动、盐雾等环境下的性能表现？芯片的寿命能使用多久？每颗芯片的性能参数是否在一定范围内保持一致？这些都是需要在芯片选型时考虑周到的问题。第九步：产品的继承性和可替代性一些常用功能模块的可移植性，考虑选型时，可能需要多考虑可以继承上一代产品的可用器件。第十步：产品性价比、货源芯片的性价比是极为重要的一个因素，相比于赛灵思和阿尔特拉，如果同等性能的芯片，国产FPGA芯片有价格优势,我相信很多用户会选择进行国产替代。从设计角度来考虑，还需要看这款芯片的电源要求、外围电路、阻抗走线、封装等是否是常用的设计要求。从供应链角度，需要考虑这款芯片的供货稳定性、供货周期等多个因素。