FPGA硬件系統設計與應用研究

麥皓然

摘 要：如今數字化信息技術快速發展，數字電路系統中，FPGA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，FPGA已經從電子設計外圍器件發展為數字電路核心器件，并且FPGA器件已經在很多領域有所應用，比如計算機、航空航天、通信等領域。半導體工藝技術的發展使得FPGA設計也實現了一定的進步。本文就FPGA進行簡要的闡述，明確FPGA設計需要遵循的原則以及具體應用。

關鍵詞：FPGA硬件系統；設計；應用

FPGA也就是現場可編程門陣列，將GAL、PAL等可編程器件作為基礎，并進一步發展成為FPGA。在專門集成電路中，FPGA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，并避免了傳統可編程器件門電路數不足的情況。

一、FPGA的概述分析

目前電路設計是使用硬件描述語言進行的，簡單進行匯總，并且使其布局更加合理，將其快速的燒錄到FPGA器件中，做好基本測試，這是當前數字系統設計中使用的主要檢驗技術。可編程器件可以被應用到基本邏輯門電路中，還能夠在相對復雜的功能組合中發生作用，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。

設計人員可以結合自身情況，將FPGA器件中的邏輯模塊通過可編輯鏈接組合到一起，將這個電路實驗放置在電子芯片中，FPGA器件出廠之后，設計人員需要結合設計對連接方式以及邏輯塊的應用情況進行優化調整，使得邏輯功能的不同情況得以順利實現。

電子設計中應用FPGA器件就需要對其硬件系統中可能出現的設計問題進行處理，硬件設計過程中必須要解決以下問題：

1、將I/O信號進行優化配置

I/O信號優化配置過程中，需要先在列表中將需要配置的I/O信號列出[1]，依據主次地位進行排位，然后對模塊間的兼容性進行檢查，依據表格以及兼容準則，將限制最大的信號配置在特定引腳上，限制最小的信號要最后分配，其余的信號要分配到合適的位置上。

2、減少靜態功耗

相比于動態功耗，靜態功耗基本上可以忽略不計，但是靜態功耗對于一些供電設備而言依舊至關重要。靜態電流的影響因素有很多，比如I/O端口沒有完全關閉或聯通等，此外還需要使用靜態功率維持編程信息，

二、FPGA硬件系統設計遵循的原則

FPGA器件有著極為豐富的時序邏輯以及技術，優勢比較明顯，被很多設計人員應用，FPGA硬件系統設計中需要使用科學的設計方法，使得FPGA應用中的不足得以彌補，優化設計功能。

1、層次化設計

層次化設計中，將系統分為若干頂層模塊，每一個頂層模塊中包含很多小模塊。模塊的層次化設計可以是結構圖，也可以是利用邏輯語言描述出來的實體內容。

對于劃分系統模塊而言，層次化設計是極為重要的，如果模塊不能被合理劃分，系統設計也會受到影響，導致系統的性能受到限制。實現層次化設計能夠使得設計更加可讀，并且能夠重復使用。

2、同步設計

要使時序電路能夠正常的運行工作，就需要依據之前設計好的邏輯順序開展工作。如果在工作中不按照這一順序進行，儲存單元中就容易有錯誤數據進入，使得操作出現錯誤。同步設計就是利用全分布周期同步信號，及時更新系統中的儲存單元，這是時序電路工作的有效設計方法。電路設計功能的實現也需要依托時鐘信號，并依據時序順利進行。靜態同步設計過程中，必須要保證儲存單元具有一定的邊緣敏感性，使每一個邊緣敏感部位的時鐘輸入應該是一次輸入時鐘某一個函數[2]。

FPGA器件的同步設計就是將主時鐘觸發進行改變，相同系統中的不同功能模塊可以實現部分異步，但是需要保證模塊時間是同步進行的。

三、FPGA硬件系統的設計應用

1、電路設計中的應用

電路設計中應用FPGA硬件系統是存在一定難度的，這需要開發人員具有一定的電路知識，并了解開發程序等，但是這些人才的數量并不多，一般都是新技術、新產品開發成功后，逐漸發展成為主流的市場產品，為產品設計應用提供便利。未來，通用以及專用IP設計將成為發展的重點以及熱點，進行電路設計就是要具備一定的硬件知識，并快速入門。

2、產品設計中的應用

FPGA技術與專業技術融合其實就是將比較成熟的技術應用到特定領域中，比如通信、信息處理等領域，能夠開發出與行業以及客戶需要相適應的產品，這一設計注重性能實現。此外還有設計專業客戶產品的界面問題，涉及專業的工具以及民用產品等，這一設計注重價格，通過設計價格敏感的產品保證其功能順利實現。在產品設計中，FPGA技術具有接口、控制、內嵌CPU等優勢[3]，能夠使設計出的產品有比較簡單的結構，有更高的固化性，并且具備相對齊全的功能，FPGA技術將在未來產品設計市場中有極為廣泛的應用。在具體設計應用過程中對產品設計人才也提出了較高的要求，需要建立優質、全面的技術設計團隊，更好地促進產品設計行業的發展。

3、系統級的應用

系統級的應用是將計算機技術與FPGA相結合，構建FPGA版的計算機系統。比如XilinxV-4、V-5系列的FPGA，將POWER PC CPU內嵌[4]，加之外圍功能的配合，形成基本環境，在這一平臺實現LINUX等系統，能夠對標準外設以及功能接口提供支持，更加積極的構建大型的FPGA系統。但是這種系統的早期優勢并不明顯，但是如果能夠將FPGA的優勢充分發揮出來，也將會成為重要的發展方向。系統級應用過程中，需要開發人員具有到一定的系統擴充開發能力，并且很好的適應快速發展變化的市場。

結束語：

總而言之，FPGA硬件系統是一種可以編程的器件，在很多領域中都有極為廣泛的應用，并且逐步發展成為數字化的電路核心部分，隨著各種信息技術以及工藝的進步，FPGA硬件系統的設計也實現了跨越式的進步，相信未來FPGA硬件系統能夠實現更好地設計與應用，為社會發展提供支持。

參考文獻

[1]劉更，王清理，孟偉，趙甫，張寶. 基于ARM和FPGA的經濟型數控系統硬件設計與實現[J]. 計算機工程與設計，2012，04：1392-1397.

[2]許川佩，唐海，胡聰. 基于FPGA的NoC硬件系統設計[J]. 電子技術應用，2012，02：117-119+123.

[3]李石林，段吉海，晉良念，謝躍雷. 基于FPGA的數字存儲系統硬件設計[J]. 電視技術，2012，07：20-23.

[4]張啟英，劉亞剛，張淑艷，朱娟. 基于FPGA的硬件加速器設計的研究與應用[J]. 計算機光盤軟件與應用，2013，17：276-277.