FPGA芯片設計及其應用分析

謝帥 李秀強 李茜 劉小寶 戴昭

摘要：隨著我國科學技術的迅猛發展，我國已經完全進去了信息時代，我國的網絡技術和通信技術在信息時代的帶領之下和人們的生活需求的背景下發展的越來越快。本文針對FPGA的優勢、設計流程、在設計方面的設計方法和應用領域等各方面進行了詳細的闡述。

關鍵詞：FPGA；芯片設計；應用分析

中圖分類號：TN402 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0150-02

1 FPGA的概念

FPGA即Field-Programmable Gate Array 的縮寫，即現場可編程門陣列，它是基于PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上形成再次發展的成品。它出現的形式是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路，這種形式的半定制電路既能夠彌補定制電路的不足，又能夠改正原來的可編程器件門電路數有限的不足。FPGA是由可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內部連線三個部分組成的。FPGA對于小批量系統來說是一項很好的選擇，可以提高系統的集成度。

2 FPGA技術的優勢和特點

2.1 FPGA技術的性能很好

根據對FPGA的分析表明，在FPGA的某些應用領域方面，FPGA的每分鐘的信號處理能力與數字處理信號DSP相比使其多倍的效率，這是因為FPGA在性能方面打破了傳統的順序執行的模式，利用硬件并行的優勢，在運行處理速率方面做了很大的提升，其可以在每個周期內完成更多的處理任務，完全超過了數字處理信號的運算速率。FPGA的性能主要體現在其為了滿足不同的應用需求在硬件層面的控制輸入和輸出方面進行了很大的完善，為應用領域提供了更加專業化、更加快速的運算處理系統。

2.2 FPGA技術的設計成本較低

在自定制ASIC設計的非經常性工程中產生的費用與基于FPGA的硬件解決方案所產生的費用相比前者的設計成本更高，且高出了很多倍。ASIC在設計初期為設備制造商在運輸數千種芯片方面投入了巨大的成本費用，但是結果表明更多的用戶使用自定義的硬件功能就能解決自身對芯片的需求，FPGA的芯片特性注定在進行設計的時候可以節省更多的成本投資，FPGA芯片的交貨組裝時間與ASIC相比也較短，因此，FPGA的設計成本不僅較低，而且完成效率也快。

2.3 FPGA具有較高的穩定性

FPGA使用硬件并行的方式進行內部的運行，其處理器的系統包含了很多個抽象層，這能在多個進城之間共享資源、計劃任務，利用驅動從而控制硬件資源的使用。處理器的系統常常會面臨著限時任務相互占取的風險，且對于任何給定的處理器內核，談一次只能執行一個指令。但是FPGA不使用這種處理器操作系統，它本身具有獨立的確定性和每項任務的執行硬件，不存在多個任務共同執行出現相互占取的潛在風險，在運行的穩定性方面提供了一定的保障。

2.4 FPGA能夠進行長期維護

FPGA是可以進行現場升級的，不用重新設計ASIC所涉及的時間和費用的投入，是因為ASIC的接口可能存在兼容方面或者維護方面的問題，而數字通信中就包含了能夠隨時間進行改變的規范，FPGA就能夠根據現場的情況或者改變做出適時的調整和修改。

3 FPGA的芯片設計方法

FPGA的電路設計流程一般都是：進行邏輯設計—進行網表設計—精心布局—利用系統進行自動布局—自動布線—產生加載FPGA的配置位圖。

3.1 進行邏輯設計

在進行邏輯設計時，一般都要將FPGA芯片所需要呈現的功能及特性進行統計和匯總，將其所需元件進行歸納，采用適合FPGA特性的元件、電路結構來充分高效地進行結構邏輯設計，將元件的位置、電路板上面的線路走向、元件數量、元件種類等都進行充分的考慮。在進行邏輯設計的過程中一定要選擇合適的型號的芯片，避免在使用過程中出現差錯，以便于提升芯片設計的功能和性價比。

3.2 進行網表設計

可以利用專門的開發軟件，在完成FPGA的邏輯設計之后將相關的數據輸入開發軟件中，首先構建一個模板，設計輸入信息或者進行修改，然后利用軟件的功能對輸入的數據進行細化分析，從而可以得到仿真網格，對其引腳分布、時序約束等進行全編譯，從而生成具有延時信息的網表，接著進行時序驗證，下載版及調試，如果使用Quartus 2進行綜合設計的話就可以得到沒有延時信息的網表了。

3.3 自動布線

在進行完繁雜的手工布局及布線之后應該采用開發軟件自帶的自動布局系統對線路進行系統化的布置，在進行完自動布線之后，系統會將手工布線中的錯誤之處用紅色標注進行提醒，自動布線也是對手工布局和布線的一種復查，另外自動布線也可以將手工布線過程中未來得及做好布線的位置進行統一的布置，使其能夠符合布線的標準。

4 FPGA芯片的應用

4.1 應用到數據采集領域中

由于自然界中的信號模擬信號居多，因此信號處理系統中都能實現數據的采集功能，對于比較常見的低速A/D和D/A轉換器可以采用標準的其它接口或者通信進行處理，但是對于高速的A/D和D/A轉換器，一般的信號處理器就起不了作用，只能使用FPGA進行數據采集。

4.2 應用到邏輯接口領域

在傳統的芯片設計中，在進行與PC機進行數據通信時，為了保障信號的傳輸質量需要的接口數量太多，導致芯片的體積、能耗等都比較大，不利于進行高效的傳輸。

4.3 應用到電平接口領域

在新的技術不斷出現的大環境下，在電子產品的應用方面，電平標準也必須不斷的做出改變才能迎合電子產品的更新要求，在這種極度混合的電平環境中，傳統的電平接口并不能滿足電路的需求，導致電路的復雜性越來越高，而FPGA可以支持多種電平的存在，將FPGA應用到電平接口中可以減少很多不必要的麻煩。

5 結語

綜上所述，FPGA在進行芯片設計時利用了自身能夠大范圍應用于小型集成電路中，實現電路設計的發展要求，利用自身的設計成本低、性能好、穩定性高、能夠進行長期維護等特點應用于信號采集領域、邏輯接口領域和電平接口領域中，實現了FPGA的特性的發揮，為我國電路的發展做出了貢獻。

參考文獻

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