FPGA硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

麥皓然

摘 要：如今數(shù)字化信息技術(shù)快速發(fā)展，數(shù)字電路系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA器件起到的作用日漸凸顯。FPGA是一種可以編程的器件，在幾十年中，F(xiàn)PGA已經(jīng)從電子設(shè)計(jì)外圍器件發(fā)展為數(shù)字電路核心器件，并且FPGA器件已經(jīng)在很多領(lǐng)域有所應(yīng)用，比如計(jì)算機(jī)、航空航天、通信等領(lǐng)域。半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展使得FPGA設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了一定的進(jìn)步。本文就FPGA進(jìn)行簡要的闡述，明確FPGA設(shè)計(jì)需要遵循的原則以及具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：FPGA硬件系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

FPGA也就是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，將GAL、PAL等可編程器件作為基礎(chǔ)，并進(jìn)一步發(fā)展成為FPGA。在專門集成電路中，F(xiàn)PGA是以半定制電路存在的，能夠使得定制電路的缺陷得到彌補(bǔ)，并避免了傳統(tǒng)可編程器件門電路數(shù)不足的情況。

一、FPGA的概述分析

目前電路設(shè)計(jì)是使用硬件描述語言進(jìn)行的，簡單進(jìn)行匯總，并且使其布局更加合理，將其快速的燒錄到FPGA器件中，做好基本測(cè)試，這是當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的主要檢驗(yàn)技術(shù)。可編程器件可以被應(yīng)用到基本邏輯門電路中，還能夠在相對(duì)復(fù)雜的功能組合中發(fā)生作用，比如解碼器等。大部分的FPGA器件中都有記憶性的元件，這是比記憶性元件更加完整，功能更加齊全的記憶塊。

設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合自身情況，將FPGA器件中的邏輯模塊通過可編輯鏈接組合到一起，將這個(gè)電路實(shí)驗(yàn)放置在電子芯片中，F(xiàn)PGA器件出廠之后，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合設(shè)計(jì)對(duì)連接方式以及邏輯塊的應(yīng)用情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得邏輯功能的不同情況得以順利實(shí)現(xiàn)。

電子設(shè)計(jì)中應(yīng)用FPGA器件就需要對(duì)其硬件系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行處理，硬件設(shè)計(jì)過程中必須要解決以下問題：

1、將I/O信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化配置

I/O信號(hào)優(yōu)化配置過程中，需要先在列表中將需要配置的I/O信號(hào)列出[1]，依據(jù)主次地位進(jìn)行排位，然后對(duì)模塊間的兼容性進(jìn)行檢查，依據(jù)表格以及兼容準(zhǔn)則，將限制最大的信號(hào)配置在特定引腳上，限制最小的信號(hào)要最后分配，其余的信號(hào)要分配到合適的位置上。

2、減少靜態(tài)功耗

相比于動(dòng)態(tài)功耗，靜態(tài)功耗基本上可以忽略不計(jì)，但是靜態(tài)功耗對(duì)于一些供電設(shè)備而言依舊至關(guān)重要。靜態(tài)電流的影響因素有很多，比如I/O端口沒有完全關(guān)閉或聯(lián)通等，此外還需要使用靜態(tài)功率維持編程信息，

二、FPGA硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則

FPGA器件有著極為豐富的時(shí)序邏輯以及技術(shù)，優(yōu)勢(shì)比較明顯，被很多設(shè)計(jì)人員應(yīng)用，F(xiàn)PGA硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要使用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，使得FPGA應(yīng)用中的不足得以彌補(bǔ)，優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。

1、層次化設(shè)計(jì)

層次化設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)分為若干頂層模塊，每一個(gè)頂層模塊中包含很多小模塊。模塊的層次化設(shè)計(jì)可以是結(jié)構(gòu)圖，也可以是利用邏輯語言描述出來的實(shí)體內(nèi)容。

對(duì)于劃分系統(tǒng)模塊而言，層次化設(shè)計(jì)是極為重要的，如果模塊不能被合理劃分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也會(huì)受到影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能受到限制。實(shí)現(xiàn)層次化設(shè)計(jì)能夠使得設(shè)計(jì)更加可讀，并且能夠重復(fù)使用。

2、同步設(shè)計(jì)

要使時(shí)序電路能夠正常的運(yùn)行工作，就需要依據(jù)之前設(shè)計(jì)好的邏輯順序開展工作。如果在工作中不按照這一順序進(jìn)行，儲(chǔ)存單元中就容易有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)入，使得操作出現(xiàn)錯(cuò)誤。同步設(shè)計(jì)就是利用全分布周期同步信號(hào)，及時(shí)更新系統(tǒng)中的儲(chǔ)存單元，這是時(shí)序電路工作的有效設(shè)計(jì)方法。電路設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)也需要依托時(shí)鐘信號(hào)，并依據(jù)時(shí)序順利進(jìn)行。靜態(tài)同步設(shè)計(jì)過程中，必須要保證儲(chǔ)存單元具有一定的邊緣敏感性，使每一個(gè)邊緣敏感部位的時(shí)鐘輸入應(yīng)該是一次輸入時(shí)鐘某一個(gè)函數(shù)[2]。

FPGA器件的同步設(shè)計(jì)就是將主時(shí)鐘觸發(fā)進(jìn)行改變，相同系統(tǒng)中的不同功能模塊可以實(shí)現(xiàn)部分異步，但是需要保證模塊時(shí)間是同步進(jìn)行的。

三、FPGA硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

1、電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用FPGA硬件系統(tǒng)是存在一定難度的，這需要開發(fā)人員具有一定的電路知識(shí)，并了解開發(fā)程序等，但是這些人才的數(shù)量并不多，一般都是新技術(shù)、新產(chǎn)品開發(fā)成功后，逐漸發(fā)展成為主流的市場(chǎng)產(chǎn)品，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用提供便利。未來，通用以及專用IP設(shè)計(jì)將成為發(fā)展的重點(diǎn)以及熱點(diǎn)，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)就是要具備一定的硬件知識(shí)，并快速入門。

2、產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

FPGA技術(shù)與專業(yè)技術(shù)融合其實(shí)就是將比較成熟的技術(shù)應(yīng)用到特定領(lǐng)域中，比如通信、信息處理等領(lǐng)域，能夠開發(fā)出與行業(yè)以及客戶需要相適應(yīng)的產(chǎn)品，這一設(shè)計(jì)注重性能實(shí)現(xiàn)。此外還有設(shè)計(jì)專業(yè)客戶產(chǎn)品的界面問題，涉及專業(yè)的工具以及民用產(chǎn)品等，這一設(shè)計(jì)注重價(jià)格，通過設(shè)計(jì)價(jià)格敏感的產(chǎn)品保證其功能順利實(shí)現(xiàn)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA技術(shù)具有接口、控制、內(nèi)嵌CPU等優(yōu)勢(shì)[3]，能夠使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品有比較簡單的結(jié)構(gòu)，有更高的固化性，并且具備相對(duì)齊全的功能，F(xiàn)PGA技術(shù)將在未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)市場(chǎng)中有極為廣泛的應(yīng)用。在具體設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人才也提出了較高的要求，需要建立優(yōu)質(zhì)、全面的技術(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，更好地促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展。

3、系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用

系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用是將計(jì)算機(jī)技術(shù)與FPGA相結(jié)合，構(gòu)建FPGA版的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。比如XilinxV-4、V-5系列的FPGA，將POWER PC CPU內(nèi)嵌[4]，加之外圍功能的配合，形成基本環(huán)境，在這一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)LINUX等系統(tǒng)，能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)外設(shè)以及功能接口提供支持，更加積極的構(gòu)建大型的FPGA系統(tǒng)。但是這種系統(tǒng)的早期優(yōu)勢(shì)并不明顯，但是如果能夠?qū)PGA的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，也將會(huì)成為重要的發(fā)展方向。系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用過程中，需要開發(fā)人員具有到一定的系統(tǒng)擴(kuò)充開發(fā)能力，并且很好的適應(yīng)快速發(fā)展變化的市場(chǎng)。

結(jié)束語：

總而言之，F(xiàn)PGA硬件系統(tǒng)是一種可以編程的器件，在很多領(lǐng)域中都有極為廣泛的應(yīng)用，并且逐步發(fā)展成為數(shù)字化的電路核心部分，隨著各種信息技術(shù)以及工藝的進(jìn)步，F(xiàn)PGA硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了跨越式的進(jìn)步，相信未來FPGA硬件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更好地設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為社會(huì)發(fā)展提供支持。

參考文獻(xiàn)

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