FPGA系統設計實戰經驗分享－硬體篇

這個帖子主要和大家介紹一些我們在FPGA硬體系統設計過程中遇到的問題和解決的方法。也歡迎大家一起參與討論。主要涉及以下幾個方面：

1。晶片的選型

  包括FPGA晶片的選型原則，外圍晶片，比如儲存器，電源，介面晶片等等選擇的依據。我們會給大家推薦一些效能好，價格便宜而且好買到的晶片，節省你查詢晶片的時間。

2。原理圖設計技巧

  包括如果相容不同型號的FPGA，保證系統設計的升級空間等。

3。PCB的設計基本原則

  對於一般的FPGA系統，只要保證這些基本原則，不必學習那些複雜的模擬軟體和高速PCB設計知識，一樣可以設計出穩定可靠的硬體電路板。

4。電路除錯技巧

如何除錯一塊剛剛焊接好的電路板，特別是對於第一次除錯電路板的朋友一定會有所幫助的。

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第一部分：Red Logic關於晶片選型的建議

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    在網上經常看到朋友問類似的問題，比如選Altera還是Xilinx晶片，選擇Altera公司的什麼型號晶片，電源晶片選什麼，SRAM選那個公司的等類似的關於晶片選型的問題。Red Logic在這裡就給大家介紹一些關於晶片選擇的一些基本原則和建議，也歡迎大家參與討論！。

一 FPGA晶片的選擇依據

      & nbsp1。選擇FPGA晶片廠商。這一點比較容易，可以根據以往的經驗實際條件，比如公司一直用那個公司的www.google.com http:>產品，或者實驗室的師兄們都用那個公司的產品多一些等等。如果自己對那個公司的產品比較熟悉，還是不要輕易更換。因為學習軟體和了解晶片結構還是需要一些時間的，而且也會引入一些設計風險。人一般會有慣性的思維的，往往會把一些經驗帶到新的專案中，而實際上不同廠商的晶片在設計細節方面還是有些不同的，對這個公司的晶片適合，不一定對另外公司的晶片適合。

       如果是在新產品設計的適合選擇FPGA晶片廠商，那麼可以參考以下的幾個原則：

A． 如果需要儘快上市，搶佔市場，一般選擇開發簡單的Altera或者Xilinx產品；

B．  如果產品已經穩定，需要提高保密效能和穩定效能，可以考慮Lattice，QuickLogic或者Actel公司的反融絲型別或者Flash型別的FPGA；

C． 如果需要很強的抗干擾性能，工作環境十分惡劣，如果航空航天，一般選Actel公司的產品。

幾個廠商的FPGA簡介：

      & nbspAltera的晶片在國內的高校用的比較多，就像在高校裡面用VHDL的人比較多一樣。Altera的晶片產品比較全，目前主要的就是

       Flex10K是比較老的系列了，價格也很高，是5V的器件，主要應用在5V的訊號環境，抗干擾性能好一些，但是功耗和體積都比較大，規模也有限制。

        ACEX1K是一個比較成功的系列，相容5V和3.3V，如果系統是 3.3V是5V的混合訊號系統，而且中5V訊號比較多，建議採用ACEX1K系列，價格也不錯。只是最大的規模是10萬門，升級空間小。

        Cyclone系列目前Altera公司成本最低的FPGA，但是隻能支援3.3V,不相容5V訊號。如果系統中只有3.3V或者5V訊號不多，那麼Red Logic還是推薦您選擇cyclone系列的 FPGA。

   Xilinx的公司的產品更多的被企業採用。相對於altera,Xilinx的歷史更悠久一些，客戶更多。Xilinx公司對晶片提供的參考設計較Altera公司提供的涉及的領域更寬，品種更多。免費使用的IP核也更多一些。

       Xilinx的高階FPGA在市場上佔有一定的優勢，如VirtexII系列就是非常成功的。

       Actel公司的FPGA以反融絲型別的為主，應用與一些特定的領域；

      & nbspQuickLogic公司的CPLD也是以反融絲為主推，一般用於產品的加密，目前還很難破解。其出品的集成了PCI硬核的FPGA是比較有特色的產品，較FPGA＋PCI介面晶片的方案成本更低，較FPGA實現PCI軟核的方案穩定性更好。

       Lattice公司目前也開始推廣低成本的應用的FPGA產品，在本論壇的Lattice版面有更詳細的介紹。

    2．

選擇FPGA型號

        首先選擇好了某個系列的FPGA，接下來就要選擇一個具體的型號了。需要考慮的因素主要有以下幾點：

A． 封裝

主要在於選擇管腳的數目，如果管腳夠用，儘量選擇表貼封裝，如TQFP或者QFP的。Red Logic不推薦選擇BGA的原因是：

1） 會帶來的焊接成本提高；

2） 增加了佈線難度，可能不得不增加PCB的層數；

3） 降低了測試性，增加了測試成本。

           當然，如果專案需要，必須選擇BGA封裝的，那麼儘量選擇管腳間距大一些的，比如1mm或者0.8mm。

例如，對於Cyclone系列的FPGA，EP1C12就有F324和Q240兩種封裝，前者是BGA的，後者是PQFP的。如果150個使用者IO對您的設計已經足夠了，那麼最好選擇後者，兩層板就可以做下來，而F324封裝的最少要4層板才行。

B． 資源

一般在設計的開始階段，無法估計規模大小。所有一般需要根據經驗來選擇。一般都要選擇你確定的封裝裡面規模最大的型號。一般來說，相同的封裝會有不同的容量，比如Cyclone系列的PQFP240封裝，就有1C6和1C12兩個型號，資源相差一倍以上。那麼實驗階段就可以先用1c12做實驗，將來再改用 1c6的，PCB不用重新設計。

資源包括了邏輯資源（如LE或者Slice）和儲存資源（如M4K或Block RAM）。

選擇晶片的時候不僅要考慮邏輯資源夠用，還要保證儲存資源夠用。假如您的設計用了1000個LE，200Kbit的儲存器，如果從邏輯資源考慮，EP1C6就足夠了，有接近6000個LE，但是M4K的容量確不能滿足要求。如果不想更改設計，您就必須選擇EP1C12了。

C． 升級性

為了以後增加功能或者升級性能，您的FPGA設計好後，必須有一定的升級空間。比如您目前的設計用了70％的晶片資源，那麼您就必須考慮是否能夠滿足將來的需要了。  

（Xilinx和Altera的FPGA產品都是基於SRAM的，上電後需要外部cpu或者儲存器進行配置才能工作。

配置過程中，如果出現干擾，就會產生配置錯誤。

而Actel公司的反融絲型FPGA與ASIC一樣，是固化在晶片內部的，上電就開始工作的，所以說更抗干擾性能更強一些。但是隻能燒寫一次，開發起來成本比較高，週期也長一些。必須充分模擬，否則差一點點就要費一個片子啊。

可以採用Altera的晶片做原型的驗證和樣機。經過測試，如果不能滿足要求，在更換Actel的晶片，這樣可以保證邏輯部分是沒有問題的。Altera的晶片目前也採用了一些措施，比如差錯重新配置等，也可以用外部的cpu來配置FPGA，上電後對fpga進行簡單的測試，如果有問題，再重新配置。

如果邏輯規模不大，可以採用MAXII系列的CPLD，由於採用了Flash結構，不需要外部配置，可靠性要高很多。）

二。FPGA主要的外設晶片選擇

       Red Logic根據以往的經驗，推薦您一些晶片，供您參考。其他應用的晶片，您可以到我們的網站上諮詢。

1． 電源晶片

如果電流較小，可以選用AS1117系列， 表貼型封裝；

如果電流較大，可以選用AS28xx系列， 表貼型封裝；

2． 儲存晶片

儘量選擇升級空間大，管腳相容的系列；

SDRAM一般選擇SAMSUNG的K4S系列，或者現代的HY57V系列；

ASRAM一般選擇ISSI的61LV系列；

NOR  FLASH一般選擇AMD的29LV系列或者SST的晶片；

NAND FLASH一般選擇SAMSUNG的K9S系列；

3． 其他晶片

VIDEO Encoder/Decoder   – PHILIPS；

VGA  ADC/DAC        －ADI；

ADC/DAC                  －ADI, TI , BB;

USB                          －CYCPRESS；

PCI                           －PLX；

聯結器              －AMP,SEMITEC；

FPGA器件選型

1 引 言

　　現場可程式設計門陣列FPGA有整合度高、體積小、靈活可重配置、實驗風險小等優點，在複雜數字系統中得到了越來越廣泛的應用。

　　隨著FPGA技術的成熟和不斷飛速發展，數位電路的設計只需一片FPGA器件、一些儲存裝置和一些電氣介面匹配電路的解決方案已成為主流選擇方案。根據多年的應用經驗，相關數字系統中，FPGA器件的選型非常重要，不合理的選型會導致一系列的後續設計問題，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價效比，延長產品的生命週期，獲得預想不到的經濟效果。

　　經過深入研究，總結了以下選型問題：器件的供貨渠道和開發工具的支援；器件的硬體資源；器件的電氣介面標準；器件的速度等級；器件的溫度等級；器件的封裝；器件的價格。

2 FPGA器件選型應該考慮的問題

2．1 器件的供貨渠道和開發工具的支援

　　目前，主要的FPGA供應商有Xllinx公司、Altera公司、Lattic公司和Actel公司[1]，其中Xllinx公司和Altera公司的規模最大，能提供器件的種類非常豐富[2，3]。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週期，最好在貨源比較足的主流器件中選型。目前，Altera公司的主流器件有CycloneⅡ，CycloneⅢ，StatixⅡ，StatixⅡGX，StatixⅢ和StatixⅢGX等系列，其中CycloneⅡ和CycloneⅢ系列主要應用於邏輯設計和簡單的數字訊號處理，StatixⅡ和StatixⅢ系列主要應用於高速複雜數字訊號處理和高速邏輯設計，StatixⅡGX和StatixⅢGX系列主要應用於通訊領域[1]；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和Virtex-5 FX等系列，其中Spartan-3E和Spartan-3A系列主要應用於邏輯設計和簡單數字訊號處理，Vir-tex-4 LX和Virtex-5 LX系列主要應用於高速邏輯設計，Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列主要應用於高速複雜數字訊號處理，Virtex-4 FX和Virtex-5 FX系列主要應用於嵌入式系統[3]。

　　兩家公司都提供了優秀的開發工具。Xllinx公司有整合開發環境ISE，Altera公司有整合開發環境QuartusⅡ，兩個整合開發環境支援本公司所有器件的設計和開發[2，3]。該整合開發環境不僅功能強大、介面友好，而且有很多第三方合作伙伴提供相應的技術支援，能使器件獲得更高的效能。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。

2．2器件的硬體資源

　　硬體資源是器件選型的重要標準。硬體資源包括邏輯資源、I／O資源、佈線資源、DSP資源、儲存器資源、鎖相環資源、序列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資源和佈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，在比較複雜的數字系統中，過度I／O資源的消耗可能會導致2個問題[2，3]：FPGA負荷過重，器件發熱嚴重，嚴重影響器件的速度效能、工作穩定性和壽命，設計中要考慮器件的散熱問題；區域性佈線資源不足，電路的執行速度明顯降低，有時甚至使設計不能介面卡件，設計失敗。根據本人的應用經驗：

(1)在做複雜數字訊號處理時，位數比較高的乘法器和除法器對全域性佈線資源的消耗量比較大；

(2)在做邏輯設計時，雙向I／O口對區域性佈線資源的消耗量比較大；

(3)在利用儲存器資源設計濾波器的應用場合，區域性佈線資源的消耗量比較大；

(4)在電氣介面標準比較多，而邏輯比較複雜的應用場合，區域性佈線資源的消耗量比較大。據Altera公司推薦，設計中最好能預留30％以上的邏輯資源、20％以上的I／O資源和30％以上的佈線資源[1]。而且，從兩家公司器件的結構看，Xllinx公司器件的可程式設計邏輯塊相對於Al-tera公司要複雜一些，使用起來要靈活一些。在一些複雜的、控制訊號比較多的設計中，適合選用Xllinx公司的產品。不過Xllinx公司器件佈線資源是分段的，器件延時的可預測性要差一些。在這些應用場合，最好首先做設計模擬，對設計?肖耗的佈線資源，尤其是很容易被忽視的區域性佈線資源，要有一個比較充分的瞭解，然後在考慮器件選型，是比較理想的。

　　在做乘法運算比較多而且對速度效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StatixⅡ和StatixⅢ系列[2]，Xllinx公司的Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列等[3]。

　　器件中的儲存器資源主要有2種用途[2，3]：作高效能濾波器；實現小容量高速資料快取。這是一種比較寶貴的硬體資源，一般器件中的儲存器資源都不太多，儲存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整合度而選用這種器件，可以考慮選用低端器件+外擴儲存器的設計方案。

　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效能。Xllinx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24 MHz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StatixⅡ和StatixⅢ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。

　　在通訊領域裡，用光纖傳輸高速資料是一個比較常用的解決方案。A1tera公司的StatixⅡGX和StatixⅢGX系列[1]，Xllinx公司的Virtex-4 FX和Virtex-5 FX系列[2]都集成了高速序列收發器，這種器件價格一般都比較高。目前，National和Maxim等公司提供的高效能專用序列收發芯片價格都不高[4，5]，因此，如果只是進行光纖資料傳輸沒計，大可不必選用這種器件；如果是光纖資料傳輸+邏輯或演算法比較複雜的應用場合，最好是將兩種方案進行比較，然後考慮是否選用該器件。

　　利用整合硬核微處理器的FPGA器件進行嵌入式開發，代表嵌入式應用的一個方向。Altera公司提供整合ARM[2]的APEX系列器件，Xllinx公司提供整合Power-Pc[3]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體設計複雜程度。此時，選用該器件是比較理想的。

2．3 電氣介面標準

　　目前，數位電路的電氣介面標準非常多。在複雜數字系統中，經常會出現多種電氣介面標準。目前，主流FP-GA器件支援的電氣介面標準有[1，2]：1．5 V，1．5-V

等，可以滿足絕大部分應用設計需求。

　　可是，FPGA器件的每一個I／O並不支援所有的電氣介面標準，以Altera公司的FPGA為例，只有部分1／O支援SSTL-2 ClassⅡ電氣介面標準，在對DDR進行設計時，會導致PCB佈線相當複雜，器件的I／O管腳利用率相當低。而Xllinx公司的FPGA幾乎所有的管腳都支援SSTL-2 ClassⅡ電氣介面標準，此時選用Xllinx公司的FPGA是比較理想的。

2．4 器件的速度等級

　　關於器件速度等級的選型，一個基本的原則是：在滿足應用需求的情況下，儘量選用速度等級低的器件。該選型原則有如下好處[2，3]：

(1)由於傳輸線效應，速度等級高的器件更容易產生訊號反射，設計要在訊號的完整性上花更多的精力； (2)速度等級高的器件一般用得比較少，價格經常是成倍增加，而且高速器件的供貨渠道一般比較少，器件的訂貨週期一般都比較長，經常會延誤產品的研發週期，降低產品的上市率。

2．5 器件的溫度等級

　　某些應用場合，對器件的環境溫度適應能力提出了很高的要求，此時，就應該在有工業級甚至是軍品級或宇航級的器件中進行選型。據調研，Altera公司每種型號的FPGA都有工業級產品；Xllinx公司每種型號的FPGA都有工業級產品，部分型號的FPGA提供軍品級和宇航級產品。如果設計主要面向軍用或航天應用，最好選用Actel公司的器件，該公司的器件主要面向這些使用者。

2．6 器件的封裝

目前，主流器件的封裝形式有[2，3]：QFP，BGA和FB-GA，BGA和FBGA封裝器件的管腳密度非常高，設計中必須使用多層板，PCB佈線相當複雜，設計成本比較高，器件焊接成本比較高，因此，設計中能不用盡量不用。不過，在密度非常高，整合度非常高和對PCB板體積要求比較高的應用場合，儘量選用BGA和FBGA封裝器件。還有一種情況，在電路速度非常高的應用場合，最好選用BGA和FBGA封裝器件，這2種封裝器件由於器件管腳引線電感和分佈電容比較小，有利於高速電路的設計。

2．7 器件的價格

　　器件整合度不斷提高，效能不斷上升，而價位不斷下降是FPGA器件發展的普遍趨勢，因此，在不斷推出的新型器件中選型是一個基本規律[2，3]。以Xllinx公司剛推出的Virtex-5為例，效能比Virtex-4提高30％，而相對價位卻降低35％。

       文中不僅結合部分應用例項對FPGA器件的選型進行了深入的總結，而且提供了大量的最新器件資訊。這些內容對從事FPGA應用設計的人員有很大的參考價值。