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    選擇FPGA器件時,你該怎么考慮?

    • 發布:嵌入式培訓
    • 來源:嵌入式問答
    • 時間:2017-09-21 14:19

    FPGA器件的選用同其它通用邏輯器件不同,除考慮器件本身的性能外,軟件工具也很重要。目前市場上已有的FPGA器件生產廠家有20多個,而設計軟件除生產廠家自行研制的軟件外還有50多種。FPGA器件的價格已經不菲,更不用說設計軟件的價格,所以如何選用合適的FPGA器件,不只是一件一次性的工作,還涉及到設計軟件的選用以及今后進一步下作的開展。

    首先,用戶應該根據自身的技術環境、技術條件、使用習慣等選擇一種合適的軟件工具,同時要兼顧EDA技術的發展。占據優勢的軟件供應商同大多數芯片制造商建立了良好的合作伙伴關系,所以,擁有一種設計軟件,再進一步選擇不同的工具庫,或增加部分配置,即可對不同廠家的不同種類的FPGA產品進行設計。

    其次,用戶可根據設計的需要確定選擇哪一類FPGA器件。如果用于航天、軍事領域,反熔絲技術的一次編程型FPGA是首選;如果要完成多種算術運算,或是要求在較高速度下,FPGA/CPLD是較好的選擇;而對于功能復雜的時序邏輯電路而言,標準門陣列單元型的FPGA具有集成度高、保持靈活和功耗低的優點。當然,這只是通用準則,關鍵是所選擇的器件能滿足設計要求的所有功能,在此基礎上,再利用上述準則確定具體的一種器件。

    第三,選定某一廠家的產品,生產同類器件的廠家很多,一般依據以下準則進行選擇。

    (1)選擇有設計軟件支持的廠家的芯片,這樣可減少資本投入,降低成本。

    (2)選擇產品設計性能改進有余量的。如果所選擇的芯片是某一廠家產品中容量最大,或是速度最高的,那么,一但設計需要改進,則有可能在該廠家的芯片中再選不出合適的來了。

    (3)設計應用的延續性和可擴展性。如果所選廠家的產品具有很大的局限性,則有可能僅僅適用于很少一部分設計,從而造成設計軟件投入上的浪費。

    (4)選擇性能價格比最優的。盡管像Xilinx、Altera(已經被Intel收購)這樣的器件生產廠家都在通過降價來作市場宣傳,大多數FPGA芯片的價格還是比較高的,所有在滿足上述準則的情況下適當考慮價格也是有必要的。

    FPGA器件的發展非常快,上面的統計是從市場的角度出發對市場份額較大、行業內目前處于領先地位的部分廠家進行的,具有一定的代表性,但不是十分全面。只有不斷跟蹤這一領域的技術發展和市場動態才能對FPGA產品有更加全面、不斷更新的認識,在今后的設計中更好地利用FPGA,以提高產品的設計水平。

    由于FPGA具備設計靈活、可以重復編程的優點,因此在電子產品設計領域得到了越來越廣泛的應用。在工程項目或者產品設計中,選擇FPGA芯片可以參考以下的幾點策略和原則。

    盡量選擇成熟的產品系列

    FPGA芯片的工藝一直走在芯片設計領域的前列,產品更新換代速度非常快。穩定性和可靠性是產品設計需要考慮的關鍵因素。廠家最新推出的FPGA系列產品一般都沒有經過大批量應用的驗證。選擇這樣的芯片會增加設計的風險。而且,最新推出的FPGA芯片因為產量比較小,一般供貨情況都不會很理想,價格也會偏高一些。如果成熟的產品能滿足設計指標要求,那么最好選這樣的芯片來完成設計。例如,要用FPGA設計一塊數據采集卡。采用Altera公司的Cyclone、CyloneII和CycloneIII等3個系列的芯片都可以完成這個功能。考慮到Cyclone和CyloneII是成熟產品,同時CyloneII又是Cyclone的升級產品,因此選擇CyloneII是比較理想的方案。

    盡量選擇兼容性好的封裝

    FPGA系統設計一般采用硬件描述語言(HDL)來完成設計。這與基于CPU的軟件開發又有很大不同。特別是算法實現的時候,在設計之前,很難估算這個算法需要占多少FPGA的邏輯資源。作為代碼設計者,希望算法實現之后再選擇FPGA的型號。但是,現在的設計流程一般都是軟件和硬件并行開始設計。也就是說,在HDL代碼設計之前,就開始硬件板卡的設計。這就要求硬件板卡具備一定的兼容性,可以兼容不同規模的FPGA芯片。幸運的是,FPGA芯片廠家考慮到了這一點。目前,同系列的FPGA芯片一般可以做到相同物理封裝兼容不同規模的器件。例如,Xilinx的Spartan3系列FPGA,在BGA456封裝下,可以選擇3S200、2S400、3S1000、3S1500這4種型號的FPGA。正是因為這一點,將來的產品就具備非常好的擴展性,可以不斷地增加新的功能或者提高性能,而不需要修改電路板的設計文件。

    盡量選擇一個公司的產品

    如果在整個電子系統中需要多個FPGA器件,那么盡量選擇一個公司的產品。這樣的好處不僅可以降低成本,而且降低開發難度。因為開發環境和工具是一致的,芯片接口電平和特性也一致,便于互聯互通。

    很多第一次接觸FPGA的設計師在芯片選型的時候都有過這個疑問。其實這兩個最大的FPGA廠家位于美國的同一座城市,人員和技術交流都很頻繁,因此產品各有的優勢和特色,很難說清楚誰好誰壞。

    在全球不同的地區,這兩家公司的FPGA芯片產品的市場表現會有所差別。在中國市場,兩家公司可以說是平分秋色,在高校里面Altera的客戶會略多一些。針對特定的應用,兩個廠家的產品目錄里面都可以找到適合的系列或者型號。

    比如,針對低成本應用,Altera公司的Cyclone系列和Xilinx公司的Spartan3系列是對應的。針對高性能應用,Altera公司的StraTIx系列和Xilinx公司的Virtex系列是對應的。所以,最終選擇那個公司的產品還是看開發者的使用習慣。

    選擇芯片時千萬注意芯片實際的工作溫度

    最近項目完成的儀器在測試時總是出現數據不準的情況,而在以前從沒有出現類似情況,而且在室內測試時所有指標均滿足要求,不過一到室外測試(儀器應用場合在室外開闊場地),測試數據就會不準,百思不得其解,最后我們判斷是實際環境的溫度超出了芯片的正常工作溫度范圍。在這個時候北京室外的溫度經常低于0度,而我采用的FPGA芯片為商業級的,其工作溫度范圍在0°~70°,因此很有可能問題出在這里,對設備加上保暖措施后,測試效果有明顯改進。

    順便說一下各種等級芯片的工作溫度范圍:

    商業級:0°~70°

    工業級:-40°~85°

    軍用級:-55°~125°

    Altera的FPGA型號命名中也能看出其性質。比如我用的FPGA是EP2C8Q208C8

    2C:代表是CycloneII系列

    8:邏輯單元的數量,8表示有8000個左右的邏輯單元

    Q:表示封裝,Q代表QFP封裝

    208:代表引腳數,有208只引腳

    C:代表是商業級,I代表工業級

    8:表示芯片速度,一般有6,7,8三種,6最高,8最慢

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