FPGA芯片選擇策略

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，軟件下具也很重要。目前市場上已有的FPGA器件生產(chǎn)廠家有20多個(gè)，而設(shè)計(jì)軟件除生產(chǎn)廠家自行研制的軟件外還有50多種。FPGA器件的價(jià)格已經(jīng)不菲，更不用說設(shè)計(jì)軟件的價(jià)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(shè)計(jì)軟件的選用以及今后進(jìn)一步下作的開展。

首先，用戶應(yīng)該根據(jù)自身的技術(shù)環(huán)境、技術(shù)條件、使用習(xí)慣等選擇一種合適的軟件工具，同時(shí)要兼顧EDA技術(shù)的發(fā)展。占據(jù)優(yōu)勢的軟件供應(yīng)商同人多數(shù)芯片制造商建立了良好的合作伙伴關(guān)系，所以，擁有一種設(shè)計(jì)軟件，再進(jìn)一步選擇不同的工具庫，或增加部分配置，即可對(duì)不同廠家的不同種類的FPGA產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其次，用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)的需要確定選擇哪一類FPGA器件。如果用于航天、軍事領(lǐng)域，反熔絲技術(shù)的一次編程型FPGA是首選;如果要完成多種算術(shù)運(yùn)算，或是要求在較高速度下,FPGA/CPLD是較好的選擇;而對(duì)于功能復(fù)雜的時(shí)序邏輯電路而言，標(biāo)準(zhǔn)門陣列單元型的FPGA具有集成度高、保持靈活和功耗低的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，這只是通用準(zhǔn)則，關(guān)鍵是所選擇的器件能滿足設(shè)計(jì)要求的所有功能，在此基礎(chǔ)上，再利用上述準(zhǔn)則確定具體的一種器件。

第三，選定某一廠家的產(chǎn)品，生產(chǎn)同類器件的廠家很多，一般依據(jù)以下準(zhǔn)則進(jìn)行選擇。

(1) 選擇有設(shè)計(jì)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(chǎn)品設(shè)計(jì)性能改進(jìn)有余量的。如果所選擇的芯片是某一廠家產(chǎn)品中容量:最大，或是速度最高的，那么，一但設(shè)計(jì)需要改進(jìn)，則有可能在該廠家的芯片中再選不出合適的來了。

(3) 設(shè)計(jì)應(yīng)用的延續(xù)性和可擴(kuò)展性。如果所選廠家的產(chǎn)品具有很大的局限性，則有可能僅僅適用于很少一部分設(shè)計(jì)，從而造成設(shè)計(jì)軟件投入上的浪費(fèi)。

(4) 選擇性能價(jià)格比最優(yōu)的。盡管象Xilinx 、Altera這樣的器件生產(chǎn)廠家都在通過降價(jià)來作市場宣傳，大多數(shù)FPGA芯片的價(jià)格還是比較高的，所有在滿足上述準(zhǔn)則的情況下適當(dāng)考慮價(jià)格也是有必要的。

FPGA器件的發(fā)展非?？?上面的統(tǒng)計(jì)是從市場的角度出發(fā)對(duì)市場份額較大、行業(yè)內(nèi)目前處于領(lǐng)先地位的部分廠家進(jìn)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(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和市場動(dòng)態(tài)才能對(duì)FPGA產(chǎn)品有更加全面、不斷更新的認(rèn)識(shí)，在今后的設(shè)計(jì)中更好地利用FPGA，以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。

由于FPGA具備設(shè)計(jì)靈活、可以重復(fù)編程的優(yōu)點(diǎn)，因此在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在工程項(xiàng)目或者產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，選擇FPGA芯片可以參考以下的幾點(diǎn)策略和原則。

盡量選擇成熟的產(chǎn)品系列

FPGA芯片的工藝一直走在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的前列，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度非?？?。穩(wěn)定性和可靠性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素。廠家最新推出的FPGA系列產(chǎn)品一般都沒有經(jīng)過大批量應(yīng)用的驗(yàn)證。選擇這樣的芯片會(huì)增加設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。而且，最新推出的FPGA芯片因?yàn)楫a(chǎn)量比較小，一般供貨情況都不會(huì)很理想，價(jià)格也會(huì)偏高一些。如果成熟的產(chǎn)品能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，那么最好選這樣的芯片來完成設(shè)計(jì)。例如，要用FPGA設(shè)計(jì)一塊數(shù)據(jù)采集卡。采用Altera公司的Cyclone、CyloneII和CycloneIII等3個(gè)系列的芯片都可以完成這個(gè)功能。考慮到Cyclone和CyloneII是成熟產(chǎn)品，同時(shí)CyloneII又是Cyclone的升級(jí)產(chǎn)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(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用硬件描述語言(HDL)來完成設(shè)計(jì)。這與基于CPU的軟件開發(fā)又有很大不同。特別是算法實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，在設(shè)計(jì)之前，很難估算這個(gè)算法需要占多少FPGA的邏輯資源。作為代碼設(shè)計(jì)者，希望算法實(shí)現(xiàn)之后再選擇FPGA的型號(hào)。但是，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)流程一般都是軟件和硬件并行開始設(shè)計(jì)。也就是說，在HDL代碼設(shè)計(jì)之前，就開始硬件板卡的設(shè)計(jì)。這就要求硬件板卡具備一定的兼容性，可以兼容不同規(guī)模的FPGA芯片。幸運(yùn)的是，F(xiàn)PGA芯片廠家考慮到了這一點(diǎn)。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(guī)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(hào)的FPGA。正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，將來的產(chǎn)品就具備非常好的擴(kuò)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(shè)計(jì)文件。

盡量選擇一個(gè)公司的產(chǎn)品

如果在整個(gè)電子系統(tǒng)中需要多個(gè)FPGA器件，那么盡量選擇一個(gè)公司的產(chǎn)品。這樣的好處不僅可以降低成本，而且降低開發(fā)難度。因?yàn)殚_發(fā)環(huán)境和工具是一致的，芯片接口電平和特性也一致，便于互聯(lián)互通。

很多第一次接觸FPGA的設(shè)計(jì)師在芯片選型的時(shí)候都有過這個(gè)疑問。其實(shí)這兩個(gè)最大的FPGA廠家位于美國的同一座城市，人員和技術(shù)交流都很頻繁，因此產(chǎn)品各有的優(yōu)勢和特色，很難說清楚誰好誰壞。

在全球不同的地區(qū)，這兩家公司的FPGA芯片產(chǎn)品的市場表現(xiàn)會(huì)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(huì)略多一些。針對(duì)特定的應(yīng)用，兩個(gè)廠家的產(chǎn)品目錄里面都可以找到適合的系列或者型號(hào)。

比如，針對(duì)低成本應(yīng)用，Altera公司的Cyclone系列和Xilinx公司的Spartan3系列是對(duì)應(yīng)的。針對(duì)高性能應(yīng)用，Altera公司的Stratix系列和Xilinx公司的Virtex系列是對(duì)應(yīng)的。所以，最終選擇那個(gè)公司的產(chǎn)品還是看開發(fā)者的使用習(xí)慣。

選擇芯片時(shí)千萬注意芯片實(shí)際的工作溫度

最近項(xiàng)目完成的儀器在測試時(shí)總是出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的情況，而在以前從沒有出現(xiàn)類似情況，而且在室內(nèi)測試時(shí)所有指標(biāo)均滿足要求，不過一到室外測試(儀器應(yīng)用場合在室外開闊場地)，測試數(shù)據(jù)就會(huì)不準(zhǔn)，百思不得其解，最后我們判斷是實(shí)際環(huán)境的溫度超出了芯片的正常工作溫度范圍。在這個(gè)時(shí)候北京室外的溫度經(jīng)常低于0度，而我采用的FPGA芯片為商業(yè)級(jí)的，其工作溫度范圍在0°~70°，因此很有可能問題出在這里，對(duì)設(shè)備加上保暖措施后，測試效果有明顯改進(jìn)。

順便說一下各種等級(jí)芯片的工作溫度范圍

商業(yè)級(jí)：0°~70°

工業(yè)級(jí)：-40°~85°

軍用級(jí)：-55°~125°

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

2C：代表是Cyclone II系列

8：邏輯單元的數(shù)量，8表示有8000個(gè)左右的邏輯單元

Q：表示封裝，Q代表QFP封裝

208：代表引腳數(shù)，有208只引腳

C：代表是商業(yè)級(jí)，I代表工業(yè)級(jí)

8：表示芯片速度，一般有6，7，8三種，6最高，8最慢