FPGA设计优势概论

小黄豆

FPGA设计优势概论


在现今的市场上，要让产品迅速上市的压力愈来愈大，但产品的生命周期却不断地在缩短。过去一直稳定地处于十二至十八个月的产品设计周期已不复存在，如今常见的是，产品每六个月便会更新。更短的产品生命周期为OEM厂商在更迅速及有效地把新设计推出市场方面，带来更大的压力。有研究指出，产品若延迟四周推出，便会失去大约14％的市场占有率。  

   曾经被认为是实现系统设计的最具成本效率之ASIC组件，虽然受益于摩尔定律（Moore’s Law），但也同时受限于此一定律。半导体制程的尺寸不断地缩小，使得供货商可以在设计中加入比以前还要多的功能，这是好的一面。然而，与制造这些更小巧制程相关的成本和时间却呈指数级成长。更低的单位成本已由更高的非重复性工程（NRE）成本和更长的设计周期所抵消。第一次硅芯片的开发费用可能高达2000万美元，而随着设计人员朝着90nm及更高阶的制程发展，成本预计还会再进一步增加，而且还要计算出错的成本。重新设计会导致光罩成本升高和上市时间延长。这种种因素使得ASIC只能成为在最大量的应用下才能发挥成本效益的方案。事实上，业界预计可编程逻辑市场在未来几年的成长大多来自于传统量大的消费性电子市场。据市场研究机构Gartner Dataquest估计，2004年的低成本FPGA市场规模大约为3.5亿美元，并将于2008年成长至超过11亿美元。

FPGA普遍被认为是建构原型和开发设计的最快途径。FPGA硅芯片由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证，比ASIC环境能更快实现相同的设计，而且风险更低，因为它不需要“重新设计”一组光罩，只需对FPGA重新编程即可。FPGA还可透过其现场编程能力延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。


FPGA入门套件是由FPGA供货商提供的完整设计解决方案，能让设计人员提高开发效率，实现最快的上市时间。入门套件的软件和硬件功能可为设计人员带来很多优点，包括：技术和组件评估、快速设计开发、广泛的设计除错能力及简化设计。

使用入门套件，设计人员基本上便可立即采用先进的技术（如90nm）和FPGA完整平台功能。但是，哪种FPGA架构才适合产品的需求呢？由于在入门套件中唯有FPGA会进入产品的最终设计，因此分析应侧重于FPGA。除了在明显的总闸数和性能参数等考虑因素之外，FPGA技术本身将影响产品的最终设计，因此必须仔细检视。

非挥发性FPGA与SRAM为基础的FPGA比较过去，以挥发性SRAM为基础的FPGA一直保持着市场领先地位。先进的CMOS制程使得SRAM解决方案在尺寸方面优于其非挥发性的竞争对手，并使得SRAM FPGA在密度方面一直较非挥发性产品（nvFPGA）具有优势。然而，在以价值为基础/低阶FPGA市场上，闸密度现已足够让许多设计受到焊垫而不是内核的限制。这便为那些价格竞争激烈的解决方案开启了替代ASIC产品的市场。nvFPGA技术能为设计人员带来许多优势。作为单芯片解决方案，设计人员无需费力设计和处理许多与挥发性FPGA相关的支持组件和电路。由于设计工作减少，出错和除错的相关工作也减少，使得执行的风险也降低，因为组件不在板上便不会失效。也正因为不需要全部支持组件及加上一相等单元价格的电路，nvFPGA因此能比挥发性FPGA节省更多的成本。在以SRAM 为基础的FPGA应用中，有关支持组件和电路的成本所费不菲，这包括了激活PROM、CPLD、低电压（brown-out）检测电路、通电次序和其它资源负荷组件（overhead component）等。

举例来说，以90nm SRAM为基础的组件具有严格的内核电源电压要求，以确保配置式SRAM不会在系统电源低电压的情况下被破坏。配置式SRAM的破坏会导致灾难性的组件损坏。而以Flash为基础的FPGA（nvFPGA），Flash配置单元不会在低电压情况下被破坏，当电源一旦恢复，更会实时恢复。为了检测和管理以SRAM 为基础FPGA的低电压情况，需要在设计中加入额外的周边组件，但以非挥发性Flash为基础的FPGA则没有这样的需要。

随着FPGA的复杂性、功能和市场占有率不断成长，FPGA对硅智财权的相关保护需求也在增加。非挥发性Flash FPGA提供多种水准的设计保密性，优于传统以SRAM为基础的 FPGA和ASIC解决方案。一个典型的系统可能整合一个处理器/DSP、一些内存、一些ASSP和一个或多个FPGA。如果能读出FPGA的内容，便可复制（或加强）整个系统的性能，因为所有其它组件都是现成的。与SRAM技术不同，使用非挥发性FPGA，外人就无法截取其比特流，也无法损害周边配置组件。

使用入门套件做出可靠决定使用入门套件平台有多种好处，评估供货商的组件是其中最重要的一项。设计人员应该都读过供货商的产品手册及了解其FPGA平台的性能、功耗等。但是，这些FPGA组件在产品的设计中表现如何？在给定的工作条件下，功耗会是多少？能支持产品设计所要求的产能吗？而确定系统性能的唯一办法就是将硅芯片放在设计中，然后进行试用。

不使用入门套件的另一个选择，是从头开始设计一个评估目标板，其中包括目标设备的电路板设计图和其它支持电路，以及组件。但是，设计、除错和制造这种评估目标板的机会成本非常昂贵，而且也没必要。在入门套件上进行设计是最快的方法，让产品的设计能在真正的硅芯片上运作。

快速的设计开发入门套件能让产品「一步到位」。入门套件将软件和硬件都放在一个封装内，是一站式解决方案。此外，在快速设计中，入门套件提供的参考设计与软、硬件工具同样重要。这些编码样品提供了一些展示如何在供货商的硅芯片中实现有关功能的范例。这些过程更会经过最佳化，然后用于各自的架构中，让新的用户看看针对某种环境而最佳化的编码范例。这些编码范例的性质倾向于中性，可以量身剪裁以配合最终用户的实际应用。然后其性能就会被当作比较基准，在硅芯片评估过程中提供协助。

设计弹性没有设计会只是系统本身。用户需要在系统中存取资料，不是响应外界的驱动因素并提供适当的响应，就是抽取资料进行分析/处理然后送回。正如前述，入门套件是最佳的途径，可迅速开发代码并于硅芯片中实现。此外，入门套件一般具有多项功能，可让设计人员快速将其设计范畴扩大到超越入门套件。

硅智财权许多设计融合了固定或已知的功能，如通信（即以太网络和ATM）、总线接口（即PCI和CAN）或多媒体（即JPEG和M-JPEG）。FPGA供货商已开发了这些固定功能区块的链接库。这些链接库如可提供给客户使用，便有助于设计人员加快产品上市。假如系统设计人员在需要时被迫要自行建立这些模块，就会耗费资源，而这些资源本来应该要用于强化设计方面，以胜过其竞争对手。由于这些模块大部分用于与FPGA外面的组件和系统接口，因此能符合标准非常重要。所以，设计创造只是产生这些链接库的一部分。IP验证、确认和一致性测试是创造可靠的IP链接库之主要组成部分。

入门套件基础每个入门套件应该由几个关键部分组成。尽管每个供货商的套件都会有所不同，下面是标准FPGA入门套件应有的基本组件：

硬件入门套件的核心是用于设计的真实组件。FPGA安放在带有支持电路和许多接口功能的电路板上。为了在系统中工作，FPGA一般需要支持电路。但所需的支持电路数量却因FPGA技术而异。还需要最低限度的电源和时脉源。SRAM FPGA技术也需要额外的组件，如：低电压检测组件、激活PROM和CPLD，以确保系统通电时的稳定性，这是因为以SRAM为基础的组件并不是通电运行的。以Flash为基础的FPGA入门套件不需要额外的支持硬件，使得设计人员能够评估非挥发性 Flash FPGA技术的所有优点。

为了加速设计开发，入门套件板一般还支持与外接板和系统的通信和互动。管座（header）把I/O引出和标准通信连接器，如RJ-45和DB-9是最常见的标准连接器。通常还带有除错埠，一般是JTAG。常见的还有开关和状态显示LED，以供用户在开发和评估过程中采用。额外的硬件包括电源和连接电路板至PC主机的缆线。

软件工具当然，如果不能创造设计并将其编程到FPGA中，硬件板便会失去意义。入门套件备有一套开发软件。由于这些软件工具是与套件一起“免费”供应的，因此通常都会有时间限制，或是全功能版本的精简版。这些工具的提供是为了让开发人员进行适当的硅芯片评估，当然，也是为了吸引开发人员购买全功能的软件版本。然而，所有入门套件都不尽相同，较佳的套件当然具有全面和完整的软件工具，没有时间限制，以及全面的除错和编程能力。

工具套件因供货商而异，但大部分套件都支持一些基本功能。为了进行设计创造和验证，用户可利用工具套件导入或创造出设计。要实现设计，就须支持设计编译、电路板设计和布线布局。最后，为了将设计导入FPGA中，还要产生设计比特流。比特流的来源取决于FPGA技术。对于以挥发性SRAM为基础的FPGA，比特流会加载入门套件的配置内存中。而使用非挥发性FPGA时，比特流会直接编程至组件中。大多数入门套件都提供设计范例和指导手册，以提升新工具和新开发环境的学习效率。