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作者：Patrice Brossard，EMEA 垂直細(xì)分市場(chǎng)經(jīng)理（FPGA 和 ASIC），富昌電子 在 20 世紀(jì) 80 年代，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 的早期，半導(dǎo)體技術(shù)的局限性意味著器件小巧簡(jiǎn)單。這些早期的 FPGA 僅具有數(shù)百個(gè)邏輯門，用于將以前在多個(gè)分立邏輯組件中實(shí)現(xiàn)的功能集成到單個(gè)可編程芯片中。隨著設(shè)計(jì)工程師認(rèn)識(shí)到 FPGA 能夠減少元件數(shù)量、節(jié)省電路板空間和簡(jiǎn)化電路板布局所帶來的價(jià)值，F(xiàn)PGA 市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)。 半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步意味著 FPGA 自 20 世紀(jì) 80 年代以來已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，成為我們今天所知的大型復(fù)雜器件：在高端市場(chǎng)，F(xiàn)PGA 具有數(shù)百萬個(gè)門、支持高于 30 Gbps 數(shù)據(jù)傳輸速率的超高速接口，以及實(shí)現(xiàn)嵌入式處理器、PLL、功能性 SRAM 存儲(chǔ)器等的多個(gè)硬連線 IP 塊。 高端 FPGA 是數(shù)據(jù)處理、成像和高帶寬通信設(shè)備等應(yīng)用的主要解決方案，吸引了最多的關(guān)注，并占據(jù)了行業(yè)營(yíng)銷和促銷資金的最大份額。但請(qǐng)記住，小型 FPGA 最初發(fā)揮的作用仍然具有價(jià)值，例如： · 膠合邏輯集成 · 簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)器或 PWM · 基本狀態(tài)機(jī) · 控制邏輯 · I/O 和接口橋接 · I/O 擴(kuò)展器 · 多個(gè)傳感器輸入的聚合 · 電壓監(jiān)測(cè) 小型、低成本和低端 FGPA 的活躍市場(chǎng)支持這些功能及其他功能。它對(duì) OEM 廠商的重要性體現(xiàn)在最近 FPGA 市場(chǎng)的新進(jìn)入者瑞薩的到來。 然而，對(duì)于 FPGA 在主流工業(yè)和消費(fèi)電子設(shè)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(shè)計(jì)工程師通常將 FPGA 視為一個(gè)陌生的概念：昂貴、耗電且難以使用。 Xilinx（現(xiàn)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(dǎo)體、Microchip 和瑞薩提供的低端 FPGA并非如此。事實(shí)上，與 MCU 相比，F(xiàn)PGA 的使用在許多功能上具有幾個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。 在 MCU 中，任務(wù)是在軟件中按順序執(zhí)行的。在 FPGA 中，任務(wù)在硬件中并行執(zhí)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(shè)計(jì)工具如何使電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的 FPGA 實(shí)施變得簡(jiǎn)單且可預(yù)測(cè)。 FPGA 的基本架構(gòu) FPGA 由三個(gè)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(jié)構(gòu) 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(jiǎn)單的觸發(fā)器。 · LE 是FPGA 的基本功能塊，這也是每個(gè)FPGA 根據(jù)其包含的LE 數(shù)量進(jìn)行分類的原因。FPGA市場(chǎng)的低端產(chǎn)品涵蓋了幾百個(gè)LE到10,000個(gè)LE之間的FPGA · 可編程互連將配置的 LE 連接在一起，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn) 實(shí)現(xiàn)這些元素的底層硬件是大量的可編程開關(guān)。在大多數(shù) FPGA 中，每次 FPGA 上電時(shí)，這些開關(guān)都會(huì)重新編程。這需要將編程文件存儲(chǔ)在配置存儲(chǔ)器中：該存儲(chǔ)器可以位于 FPGA 芯片內(nèi)部，也可以位于外部。 Microchip FPGA 是這一規(guī)則的例外：它們的可編程開關(guān)采用類似于非易失性閃存的技術(shù)制成。 它們可以直接編程，不需要編程文件或配置存儲(chǔ)器。 如何配置FPGA硬件 所有 FPGA 制造商都提供自己的設(shè)計(jì)工具來生成此編程文件，通常稱為比特流。每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言 (HDL)（VHDL 或 Verilog）進(jìn)行功能描述 · 程序綜合 · 布局布線 · 編程文件生成
圖 2：FPGA 設(shè)計(jì)流程由每個(gè) FPGA 制造商為其器件提供的工具提供支持 時(shí)序分析是設(shè)計(jì)流程的一部分，用于檢查影響信號(hào)通過路由結(jié)構(gòu)傳輸?shù)膫鞑パ舆t是否與應(yīng)用的性能要求一致，如圖 2 所示。仿真和驗(yàn)證HDL工具生成的代碼也很重要，以驗(yàn)證編程到FPGA中的功能是否按照設(shè)計(jì)規(guī)范運(yùn)行。 在整個(gè)FPGA開發(fā)過程中，沒有什么比時(shí)序分析和RTL仿真的實(shí)現(xiàn)更困難了，而且它們也不是特別復(fù)雜。所有其他階段均由設(shè)計(jì)工具自動(dòng)執(zhí)行，只需幾分鐘即可在標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦上執(zhí)行。 每個(gè)FPGA制造商都提供自己的工具集；它們之間的主要區(qū)別在于圖形用戶界面。只要源代碼是使用標(biāo)準(zhǔn) VHDL 或 Verilog 描述語(yǔ)言編寫的，就可以輕松地從一種語(yǔ)言遷移到另一種語(yǔ)言。FPGA 用戶通常可以通過免許可證使用這些工具。FPGA 評(píng)估板很容易以低成本獲得。因此，對(duì)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(chǎn)品的多種選擇 低端 FPGA 市場(chǎng)由三個(gè)制造商提供服務(wù)：Microchip、萊迪思和最近加入的瑞薩。 Microchip的產(chǎn)品組合主要面向中端 FPGA 市場(chǎng)。然而，IGLOO® 2 閃存 FPGA 系列中的入門級(jí)器件確實(shí)算作低端 FPGA，如圖 3 所示。
圖 3：Microchip IGLOO 2 FPGA 產(chǎn)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(fā)。可為最多 25,000 個(gè) LE 的器件提供免許可證。IGLOO 2 FPGA 以其眾多的存儲(chǔ)器選項(xiàng)而著稱，包括功能嵌入式非易失性存儲(chǔ)器以及高速接口。 萊迪思長(zhǎng)期以來一直堅(jiān)持支持低門密度FPGA市場(chǎng)的政策，并擁有基于兩個(gè)系列的強(qiáng)大產(chǎn)品：XO2/XO3和iCE40。 XO2/XO3 系列基于易失性技術(shù)，它在與 FPGA 矩陣相同的芯片上提供配置存儲(chǔ)器，為設(shè)計(jì)人員提供單芯片 FPGA 解決方案，無需外部配置存儲(chǔ)器。 XO2/XO3 器件提供多種密度選項(xiàng)，從 256 個(gè) LE 到最多 10,000 個(gè) LE。它們的主要特點(diǎn)是： · 憑借片上非易失性配置存儲(chǔ)器，幾乎可以即時(shí)啟動(dòng)操作 · 單電壓和低功耗選項(xiàng) · 硬連線 I2C 和串行外設(shè)接口、PLL、閃存和內(nèi)部振蕩器 · 萊迪思提供免許可證的 XO2/XO3 的 Diamond 設(shè)計(jì)工具。 萊迪思的另一個(gè)低端 FPGA 系列 iCE40 系列分為幾個(gè)子系列：iCE40LP、iCE40UL、iCE5LP、iCE40UP、iCE40LM 和 iCE40HX。該系列涵蓋從 384 個(gè) LE 到 8,000 個(gè) LE 的范圍。在 iCE40 系列中，萊迪思針對(duì)低功耗和小尺寸優(yōu)化了功耗/尺寸/性能的權(quán)衡：具有低于 100 µA的市場(chǎng)最低的靜態(tài)電流。iCE40 還采用 FPGA 業(yè)界最小的封裝，尺寸僅為 1.4 mm x 1.4 mm。 瑞薩是第三個(gè)低端 FPGA 制造商，是最近進(jìn)入該市場(chǎng)的公司。瑞薩以其 GreenPAK™ 可編程混合信號(hào)產(chǎn)品技術(shù)而聞名。現(xiàn)在，新的 FPGA 產(chǎn)品對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了補(bǔ)充。 ForgeFPGA™ 系列提供相對(duì)少量的可編程邏輯，可以快速有效地設(shè)計(jì)到成本敏感型應(yīng)用中。與其他替代方案（包括非 FPGA 設(shè)計(jì)）相比，F(xiàn)orgeFPGA 器件可顯著節(jié)省成本。瑞薩為其 FPGA 提供免許可證的 GoConfigure™ 設(shè)計(jì)軟件中心。 瑞薩的 ForgeFPGA 器件系列具有 1,000 個(gè) LE 至 4,000 個(gè) LE，預(yù)計(jì)將于 2024 年提供樣片和量產(chǎn)。 低端 FPGA：非專業(yè)人士的便捷選擇 FPGA 被廣泛認(rèn)為是一種高端、高成本、難以使用的高端應(yīng)用產(chǎn)品。 事實(shí)上，低端FPGA恰恰相反。因此，富昌電子提出了一種關(guān)于 FPGA 的新方法，以認(rèn)識(shí)到它們?cè)谄胀üI(yè)和消費(fèi)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，例如機(jī)器人手臂的多電機(jī)控制、工廠設(shè)備的監(jiān)控/警報(bào)管理、電動(dòng)汽車充電器的逆變器、電池管理系統(tǒng)、智能建筑和智能城市應(yīng)用中的傳感器信號(hào)處理等。 這些確定性低功耗設(shè)備的使用范圍非常廣泛。首次探索低端 FPGA 的微控制器開發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，他們可以從中獲益匪淺。 評(píng)估套件：適用于 IGLOO2 FPGA 的 M2GL-EVAL-KIT 支持的元器件：M2GL010T-1FGG484 IGLOO2 評(píng)估套件可以更輕松地開發(fā)基于 IGLOO2 FPGA 的電機(jī)控制、系統(tǒng)管理、工業(yè)自動(dòng)化或高速串行 I/O 應(yīng)用的嵌入式設(shè)備。這些 FPGA 以其強(qiáng)大的功能集成、低功耗、卓越的可靠性和經(jīng)驗(yàn)證的安全性而聞名。 IGLOO2 評(píng)估套件提供了一個(gè)平臺(tái)，用于為基于 PCI Express 和千兆位以太網(wǎng)的系統(tǒng)開發(fā)基于收發(fā)器 I/O 的 FPGA 設(shè)計(jì)。該板符合小型 PCIe 外形，能夠使用任何帶有 PCIe 插槽的臺(tái)式電腦或筆記本電腦進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)和評(píng)估。 該套件使開發(fā)人員能夠: · 開發(fā)和測(cè)試 PCI Express Gen2 x1 通道設(shè)計(jì) · 使用全雙工 SERDES SMA 對(duì)來測(cè)試 FPGA 收發(fā)器的信號(hào)質(zhì)量 · 測(cè)量IGLOO2 FPGA的低功耗 · 快速創(chuàng)建工作的PCIe鏈路 該板包括一個(gè)連接 10/100/1000 以太網(wǎng)的 RJ45 接口、512 Mb LPDDR、64 Mb SPI 閃存、USB-UART 連接以及 I2C、SPI 和 GPIO 接頭。 |
