|
作者：Patrice Brossard，EMEA 垂直細分市場經理（FPGA 和 ASIC），富昌電子 在 20 世紀 80 年代，現場可編程門陣列 (FPGA) 的早期，半導體技術的局限性意味著器件小巧簡單。這些早期的 FPGA 僅具有數百個邏輯門，用于將以前在多個分立邏輯組件中實現的功能集成到單個可編程芯片中。隨著設計工程師認識到 FPGA 能夠減少元件數量、節省電路板空間和簡化電路板布局所帶來的價值，FPGA 市場迅速增長。 半導體技術的進步意味著 FPGA 自 20 世紀 80 年代以來已經發生了轉變，成為我們今天所知的大型復雜器件：在高端市場，FPGA 具有數百萬個門、支持高于 30 Gbps 數據傳輸速率的超高速接口，以及實現嵌入式處理器、PLL、功能性 SRAM 存儲器等的多個硬連線 IP 塊。 高端 FPGA 是數據處理、成像和高帶寬通信設備等應用的主要解決方案，吸引了最多的關注，并占據了行業營銷和促銷資金的最大份額。但請記住，小型 FPGA 最初發揮的作用仍然具有價值，例如： · 膠合邏輯集成 · 簡單計數器或 PWM · 基本狀態機 · 控制邏輯 · I/O 和接口橋接 · I/O 擴展器 · 多個傳感器輸入的聚合 · 電壓監測 小型、低成本和低端 FGPA 的活躍市場支持這些功能及其他功能。它對 OEM 廠商的重要性體現在最近 FPGA 市場的新進入者瑞薩的到來。 然而，對于 FPGA 在主流工業和消費電子設備中的適用性，人們的看法仍然存在分歧。熟悉微控制器的設計工程師通常將 FPGA 視為一個陌生的概念：昂貴、耗電且難以使用。 Xilinx（現在是 AMD 的一部分）和英特爾提供的高端 FPGA 可能是如此。萊迪思半導體、Microchip 和瑞薩提供的低端 FPGA并非如此。事實上，與 MCU 相比，FPGA 的使用在許多功能上具有幾個重要優勢。 在 MCU 中，任務是在軟件中按順序執行的。在 FPGA 中，任務在硬件中并行執行。因此 FPGA 操作具有有吸引力的特性：高度確定性的性能、低延遲、定制硬件的靈活性以及極低的功耗。 本文介紹了 FPGA 的基本操作，以及 FPGA 制造商提供的設計工具如何使電子系統設計中的 FPGA 實施變得簡單且可預測。 FPGA 的基本架構 FPGA 由三個基本元件組成，如圖 1 所示： · 可編程邏輯元件 (LE) · 可編程路由互連 · 可配置的 I/O，提供與外部世界的通信 
圖 1：FPGA 提供高度可編程的硬件結構 邏輯元件由可配置查找表（LUT）和順序元件（SE）組成。LUT 可以配置成任何類型的組合邏輯，例如 OR、AND 或 XOR。SE 通常配置成簡單的觸發器。 · LE 是FPGA 的基本功能塊，這也是每個FPGA 根據其包含的LE 數量進行分類的原因。FPGA市場的低端產品涵蓋了幾百個LE到10,000個LE之間的FPGA · 可編程互連將配置的 LE 連接在一起，以實現應用所需的功能 · I/O也是可編程的，并且可以配置為支持任何 I/O 接口標準 實現這些元素的底層硬件是大量的可編程開關。在大多數 FPGA 中，每次 FPGA 上電時，這些開關都會重新編程。這需要將編程文件存儲在配置存儲器中：該存儲器可以位于 FPGA 芯片內部，也可以位于外部。 Microchip FPGA 是這一規則的例外：它們的可編程開關采用類似于非易失性閃存的技術制成。 它們可以直接編程，不需要編程文件或配置存儲器。 如何配置FPGA硬件 所有 FPGA 制造商都提供自己的設計工具來生成此編程文件，通常稱為比特流。每個制造商的工具基本上都與其他制造商相似。這些工具提供以下功能： · 使用標準硬件描述語言 (HDL)（VHDL 或 Verilog）進行功能描述 · 程序綜合 · 布局布線 · 編程文件生成
圖 2：FPGA 設計流程由每個 FPGA 制造商為其器件提供的工具提供支持 時序分析是設計流程的一部分，用于檢查影響信號通過路由結構傳輸的傳播延遲是否與應用的性能要求一致，如圖 2 所示。仿真和驗證HDL工具生成的代碼也很重要，以驗證編程到FPGA中的功能是否按照設計規范運行。 在整個FPGA開發過程中，沒有什么比時序分析和RTL仿真的實現更困難了，而且它們也不是特別復雜。所有其他階段均由設計工具自動執行，只需幾分鐘即可在標準筆記本電腦上執行。 每個FPGA制造商都提供自己的工具集；它們之間的主要區別在于圖形用戶界面。只要源代碼是使用標準 VHDL 或 Verilog 描述語言編寫的，就可以輕松地從一種語言遷移到另一種語言。FPGA 用戶通常可以通過免許可證使用這些工具。FPGA 評估板很容易以低成本獲得。因此，對于想要開始嘗試低端 FPGA 的工程師來說，工具和資源的成本并不是障礙。 低端FPGA產品的多種選擇 低端 FPGA 市場由三個制造商提供服務：Microchip、萊迪思和最近加入的瑞薩。 Microchip的產品組合主要面向中端 FPGA 市場。然而，IGLOO® 2 閃存 FPGA 系列中的入門級器件確實算作低端 FPGA，如圖 3 所示。
圖 3：Microchip IGLOO 2 FPGA 產品系列中低端器件的主要特性 Microchip 提供 Libero SoC 工具，用于 IGLOO 2 FPGA 的開發。可為最多 25,000 個 LE 的器件提供免許可證。IGLOO 2 FPGA 以其眾多的存儲器選項而著稱，包括功能嵌入式非易失性存儲器以及高速接口。 萊迪思長期以來一直堅持支持低門密度FPGA市場的政策，并擁有基于兩個系列的強大產品：XO2/XO3和iCE40。 XO2/XO3 系列基于易失性技術，它在與 FPGA 矩陣相同的芯片上提供配置存儲器，為設計人員提供單芯片 FPGA 解決方案，無需外部配置存儲器。 XO2/XO3 器件提供多種密度選項，從 256 個 LE 到最多 10,000 個 LE。它們的主要特點是： · 憑借片上非易失性配置存儲器，幾乎可以即時啟動操作 · 單電壓和低功耗選項 · 硬連線 I2C 和串行外設接口、PLL、閃存和內部振蕩器 萊迪思提供免許可證的 XO2/XO3 的 Diamond 設計工具。 萊迪思的另一個低端 FPGA 系列 iCE40 系列分為幾個子系列：iCE40LP、iCE40UL、iCE5LP、iCE40UP、iCE40LM 和 iCE40HX。該系列涵蓋從 384 個 LE 到 8,000 個 LE 的范圍。在 iCE40 系列中，萊迪思針對低功耗和小尺寸優化了功耗/尺寸/性能的權衡：具有低于 100 µA的市場最低的靜態電流。iCE40 還采用 FPGA 業界最小的封裝，尺寸僅為 1.4 mm x 1.4 mm。 瑞薩是第三個低端 FPGA 制造商，是最近進入該市場的公司。瑞薩以其 GreenPAK™ 可編程混合信號產品技術而聞名�，F在，新的 FPGA 產品對該技術進行了補充。 ForgeFPGA™ 系列提供相對少量的可編程邏輯，可以快速有效地設計到成本敏感型應用中。與其他替代方案（包括非 FPGA 設計）相比，ForgeFPGA 器件可顯著節省成本。瑞薩為其 FPGA 提供免許可證的 GoConfigure™ 設計軟件中心。 瑞薩的 ForgeFPGA 器件系列具有 1,000 個 LE 至 4,000 個 LE，預計將于 2024 年提供樣片和量產。 低端 FPGA：非專業人士的便捷選擇 FPGA 被廣泛認為是一種高端、高成本、難以使用的高端應用產品。 事實上，低端FPGA恰恰相反。因此，富昌電子提出了一種關于 FPGA 的新方法，以認識到它們在普通工業和消費應用中的優勢，例如機器人手臂的多電機控制、工廠設備的監控/警報管理、電動汽車充電器的逆變器、電池管理系統、智能建筑和智能城市應用中的傳感器信號處理等。 這些確定性低功耗設備的使用范圍非常廣泛。首次探索低端 FPGA 的微控制器開發人員會發現，他們可以從中獲益匪淺。 評估套件：適用于 IGLOO2 FPGA 的 M2GL-EVAL-KIT 支持的元器件：M2GL010T-1FGG484 IGLOO2 評估套件可以更輕松地開發基于 IGLOO2 FPGA 的電機控制、系統管理、工業自動化或高速串行 I/O 應用的嵌入式設備。這些 FPGA 以其強大的功能集成、低功耗、卓越的可靠性和經驗證的安全性而聞名。 IGLOO2 評估套件提供了一個平臺，用于為基于 PCI Express 和千兆位以太網的系統開發基于收發器 I/O 的 FPGA 設計。該板符合小型 PCIe 外形，能夠使用任何帶有 PCIe 插槽的臺式電腦或筆記本電腦進行快速原型設計和評估。 該套件使開發人員能夠: 開發和測試 PCI Express Gen2 x1 通道設計 使用全雙工 SERDES SMA 對來測試 FPGA 收發器的信號質量 測量IGLOO2 FPGA的低功耗 快速創建工作的PCIe鏈路 該板包括一個連接 10/100/1000 以太網的 RJ45 接口、512 Mb LPDDR、64 Mb SPI 閃存、USB-UART 連接以及 I2C、SPI 和 GPIO 接頭。 |
