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FPGA入门

FPGA简单入门方法

 

作为众多产品开发中的关键器件,FPGA已备受各方面瞩目。

您可能听说过FPGA,但不是很了解,或者您已经知道FPGA的存在,但不太清楚近期的动向,或许您打算在不久的将来对FPGA进行初步尝试;不管怎样,只要您对FPGA感兴趣,那么就让我们一起踏出通往FPGA世界的第一步吧!--从零开始为您介绍FPGA。

什么是FPGA?

什么是FPGA简单来说,FPGA就是“可反复编程的逻辑器件”。
FPGA取自Field Programmable Gate Array的首个字母,代表现场(Field)可编程(Programmable)逻辑阵列(Gate Array)。

由于在产品发售后您仍然可以对产品设计作出修改,因此我们可以顺利地对产品进行更新以及针对新的协议标准作出相应改进。相对于对售后产品设计无法进行修改的ASIC和ASSP来说,这是FPGA特有的一个优势。由于FPGA 可编程的灵活性以及近年来科技的快速发展,FPGA也正向高集成,高性能,低功耗,低价格的方向发展,并具备了与ASIC和ASSP同等的性能,被广泛地使用在各行各业的电子及通信设备里。

FPGA与CPLD的区别

尽管很多人听说过CPLD,但是关于CPLD与FPGA之间的区别,了解的人可能不是很多。虽然FPGA与CPLD都是“可反复编程的逻辑器件”,但是在技术上却有一些差异。简单地说,FPGA就是将CPLD的电路规模,功能,性能等方面强化之后的产物。

一般而言,CPLD与FPGA之间的区别的如下所示(当然也有例外)。

PLD的种类

PLD : Programmable Logic Device(可编程逻辑器件)

  • 可反复编程的逻辑器件
  • 用户可自行设计与实现
  • 可即时进行设计与产品规格上的变更
  • 可以以标准零件的形式购买
  CPLD FPGA

组合逻辑的实现方法

乘积项(product-term),查找表(LUT,Look up table)

查找表(LUT, look up table)

编程元素

非易失性(Flash,EEPROM)

易失性(SRAM)

特点

  • 非易失性 :即使切断电源,电路上的数据也不会丢失
  • 立即上电 :上电后立即开始运作
  • 可在单芯片上运作
  • 内建高性能硬宏功能
    • PLL
    • 存储器模块
    • DSP 模块
  • 用最先进的技术实现高集成度,高性能
  • 需要外部配置ROM

应用范围

偏向于简单的控制通道应用以及
胶合逻辑

偏向于较复杂且高速的控制通道应用以及数据处理

集成度

小~中规模

中~大规模

FPGA的应用

那么在哪些产品中可以采用FPGA呢?

如下图所示,FPGA被广泛地使用在通讯基站、大型路由器等高端网络设备,以及显示器(电视)、投影仪等日常家用电器里。

FPGA/CPLD的使用范围
FPGA/CPLD的使用范围

FPGA已经从最早的只应用于辅助功能以及胶合逻辑(连接各种功能块以及集成电路的逻辑电路)的简单器件,发展到现今众多产品的核心器件。

FPGA的优势

FPGA的优势

FPGA最大的优势特点就是能够缩短开发所需时间。

换句话说,通过使用FPGA,设计人员可以有效地利用每一分钟进行开发。例如,在开发过程中使用FPGA与否,可以导致开发时间上1/2 ~ 1/3的差别。这使得FPGA成为实现“少量多品种”以及“产品周期短”市场不可缺少的器件之一。此外,我们将列举出FPGA其他的优势特点。

FPGA设计工程师

FPGA设计工程师

  • 迅速应用最新的协议与规格
  • 可以在产品开发的任何阶段修改设计(甚至在最终阶段)
  • 开发人员可以调用丰富的IP,集中精力在开发创新技术上
  • 应用众多可靠的功能,从而缩短设计时间
  • 降低功耗以及空间的占用量
  • 通过使用各种自动化工具,使时序分析等复杂的设计验证更准确,更容易
  • 通过广大的客户群,获取丰富的专业知识与技术支持

开发部门负责人

开发部门

  • 缩短开发周期(大幅缩短设计时间,更快地推出产品)
  • 消除了器件停产所带来的风险
  • 通过丰富的IP与自动化工具,可以将开发资源集中在不同的产品线上
  • 迅速应用最新的协议与规格
  • 更有效率的工程师培训(由高端到低成本的FPGA器件都通过同一种开发工具实现完成,并提供实例教学讲座及演示等)
  • 可以重新使用设计资源,降低开发成本并且提高设计质量

管理人员

管理人员

  • 降低开发成本
    • 不需要NRE(Non-recurring Expense : 非经常性费用,开发初期所需费用)
    • 避免因重新制作所造成的NRE负担
    • 开发周期的短缩,从而降低劳动力成本
  • 降低风险
    • 不存在产品停产所带来的风险
    • 众多可靠的功能
  • 迅速使产品投入市场
  • 针对竞争产品实施差别化战略
  • 让“少量多品种”式的开发更加有效率
    • 现今FPGA已能满足大批量的生产

Altera产品介绍

Altera产品

Altera产品

ASIC

如果您正在寻找 ASIC,这里将为您提供所需要的一切。我们的 HardCopy ASIC支持Stratix原型的无缝移植,在最短的时间内帮助您以最低的风险、最低的ASIC开发总成本将产品推向市场。

CPLD

对于胶合逻辑以及任何控制功能,我们的非易失 MAX 系列提供市场上成本最低的CPLD —— 单芯片解决方案,非常适合接口桥接、电平转换、I/O 扩展和模拟 I/O 管理应用。

产品系列 密度 工艺节点

FPGAs

逻辑单元

ALM (高性能自适应逻辑模块)

工艺节点

Stratix V

1,052,000

397,000

28nm

Stratix IV

813,050

325,220

40nm

Stratix III

338,000

135,200

65nm

Stratix II

132,540

53,016

90nm

Stratix

79,040

-

130nm

 

 

 

 

FPGAs

逻辑单元

ALM (高性能自适应逻辑模块)

工艺节点

Arria V

503,500

190,000

28nm

Arria II

348,500

139,400

40nm

Arria GX

90,220

36,088

90nm

 

 

 

 

FPGAs

逻辑单元

ALM (高性能自适应逻辑模块)

工艺节点

Cyclone V

300,000

113,208

28nm

Cyclone IV

149,760

-

60nm

Cyclone III

198,464

-

60nm

Cyclone II

68,416

-

90nm

Cyclone I

20,060

-

130nm

 

 

 

 

CPLD

逻辑单元

ALM (高性能自适应逻辑模块)

工艺节点

MAX V

2,210

-

0.18um

MAX II

2,210

-

0.18um

MAX 3000A

640

-

0.30um

 

 

 

 

HardCopy 系列

ASIC逻辑门

ALM (高性能自适应逻辑模块)

工艺节点

HardCopy V

-

-

28nm

HardCopy IV

15.0M

-

40nm

HardCopy III

7.0M

-

40nm

HardCopy II

3.6M

-

90nm

 

设计流程

FPGA的设计流程可分为几个主要步骤,因此您可能会问“难道每个步骤都要学习不同的设计软件吗?”,答案是不需要。FPGA所有的项目开发都能够在同一个FPGA设计软件中完成。并且设计软件还具备许多便利的功能,自动执行设计过程中所需要的设定。

FPGA设计流程

开始FPGA设计

对于那些想要学习FPGA具体设计方法的朋友,Altera提供了各种在线培训教程来帮助您自学FPGA的设计。当然,这些教程都是免费的。

观看演示录像,了解设计软件的基本操作方法。
FPGA演示录像

Design Entry(4分钟)
对Altera的设计软件Quartus II的基本设计流程进行逐步说明。
Compilation (3分钟)
演示Quartus II的基本操作方法,通过对比来说明与其他公司的设计软件之间的相似处以及区别。
TimeQuest Timing Analyzer(9 分钟)
介绍Altera设计软件中杰出的时序分析工具。

 
观看网播
FPGA网播

通过网播培训教程,了解各种产品以及FPGA/ CPLD方案。

适合初学者的培训教程:
使用CPLD来快速实现便携式应用的五点建议
在便携式应用的设计里,通过使用CPLD来实现快速的产品开发。
采用市场上成本最低、功耗最低的FPGA来降低系统总成本
在产品开发的过程中,究竟该如何在降低成本的同时又增加新的功能呢?本教程将说明如何通过使用低成本/低功耗的Cyclone IV FPGA来解决这个问题,并通过实例加以说明。

>> 查看所有网播

尝试使用设计软件网络版(免费)
fpga设计软件

下载并尝试使用FPGA设计软件Quartus II免费版。
Quartus II 网络版(支持 Windows和Linux)

通过在线培训教程来自学设计方法
fpga培训

适合初学者的培训教程
Altera产品和资源入门指南(中)
帮助您迅速理解并使用Altera产品、相关资料和资源。
可编程逻辑基础(中)
介绍可编程逻辑器件,主要是FPGA。您将学到FPGA器件的体系结构特性,了解在数字逻辑设计中使用FPGA的优点。
怎样开始一个简单的FPGA设计(中)
循序渐进地讲解Quartus II 软件中设计FPGA的基本方法。学习之后您便可以开始进行简单的设计。

>> 查看所有在线培训

参阅相关资讯,以便更深入地了解产品
fpga资讯
产品目录
集中介绍各种产品
※如果您不清楚该如何选择器件,推荐使用产品选择器。您可以根据功能与集成度等要求来对器件进行选择。
解决方案表
根据产品类别对各种产品进行介绍。
白皮书
清楚地阐述了器件应用与市场的概要。

设计工具与实例

对于那些已决定开始使用FPGA进行设计的用户,我们提供了一个具备众多便利功能的设计软件订购版,以及用于开发所需资源的开发工具等。现在就开始亲身体验FPGA真正的价值吧!

请下载具备丰富功能的设计软件
fpga设计软件

请下载具备众多便利功能的FPGA设计软件 —— Quartus II 订购版。
Quartus II 订购版
(支持Windows 和 Linux)
30 天免费试用订购版

咨询/购买开发套件
开发套件

通过使用开发套件--真正的硬件--来对器件和开发环境做出评估/验证。

适合初学者的开发套件:

灵活运用设计实例
设计实例

尝试使用有助于各种应用的参考设计

您可以从Altera网站下载设计实例和参考设计,然后使用Quartus II 设计软件即刻开始评估/验证。

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您可以通过订阅Altera电子邮件时掌握Altera产品、解决方案、活动、培训等方面的最新信息。接收Altera资料的每周技术更新。

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