原创 FPGA开发板:通向FPGA设计成功的桥梁

2006-8-14 21:53 5258 7 7 分类: MCU/ 嵌入式
如果您需要评估新的FPGA架构或开发一个应用,那么请尝试使用评估板乃至成熟的开发套件。这些工具所提供的基本资源有助于削减产品开发时间和成本。

基本的初学者套件的售价为大约为50美元到远远超过2500美元,因此对正在熟悉FPGA复杂可编程逻辑器件(CPLD)的架构及其性能的设计工程师来说,使用这些套件是一个很好的起步。这些工具对需要在开发他们的应用中快速上手的设计工程师也有好处。配备多个FPGA的板卡,甚至全ASIC仿真系统已经可用于高级开发中,这些板卡的价格一般为数千美元到1万美元以上不等。

用户可以直接从Actel、Altera、Atmel、Lattice、QuickLogic和Xilinx等FPGA供应商处获得板卡和开发套件,Avnet等分销商和Dini集团、GiDEL、Nallatech、SBS和Vmetro独立板卡与系统提供商能提供支持FPGA的硬件工具。

此外,应该关注CompactPCI CPU及其支持板卡。这些板卡的一些供应商推出了配备多个FPGA的板卡,瞄准先进电信运算架构(ATCA)应用。这种板卡也能被用作垂直市场应用的开发平台。

初学者开发套件

如果FPGA初学者想通过一些低成本的板卡来熟悉FPGA架构和配置技术,那不妨试试初学者开发套件或预算价评估板。这些工具的价格在大约50美元到400美元之间,它们通常都非常简单,包含目标FPGA或CPLD、一个小的电路实验板、几个指示器、一些连接器或I/O信号连接点(图1)。

这些板卡包括:Alearep B.V提供的用于Altera Cyclone FPGA开发的Twister卡、Lattice半导体公司的LatticeEC评估板的标准版、Xilinx公司合作伙伴Digilent提供的Spartan 3学习板和Actel公司的Fusion初学者套件。另外还有许多由FPGA供应商及第三方供应商提供的,从通用性平台到针对某一应用解决方案的低成本评估板和开发板。

Twister卡已经过优化,以便于能在Altera Cyclone器件上开发双数据速率(DDR)SDRAM接口。这款售价349美元的评估套件包括具有知识产权(IP)的EP1C6Q240C6 Cyclone FPGA和DDR SDARM控制器内核。

后者可以同用于评估控制器的其它逻辑一起被装载到FPGA内。该FPGA封装了不到6千逻辑单元(大约120千门)、92Kb RAM、双相锁环(PLL)和多达185个用户I/O引脚。

板上Cyclone芯片的外围器件包括:128Mb(8M×16b)DDR SDRAM、用来保持配置数据的8Mb闪存、2个子板扩展接头(与Altera Nios proto接头兼容)、几个用户可配置LED指示器和开关,RS-232串口以及JTAG测试端口。板上预配置的MAX系列CPLD用于管理配置控制功能。此外该板卡还配有一个优化过的DDR SDRAM参考设计,可与Altera公司的Nios可配置嵌入式处理器协同工作。

Digilent Spartan 3学习板的价格为99美元,这个自身带有Xilinx Spartan 3 FPGA环境的评估板包括XC3S200-FT256 Spartan 3芯片、1MB SRAM、2Mb可配置闪存、8个滑动开关、4个按钮、9个LED和4位7段LED显示器。另外,它还配有三个40引脚扩展连接器、一个串口、一个PS/2鼠标/键盘端口和一个VGA视频端口。XC3S200封装了大约200千门、12个18位乘法器和216Kb块RAM。其内部时钟速率可达500MHz。

可用JTAG3编程电缆及Xilinx公司提供的P4和MultiPRO电缆将板卡连接到PC或主机系统,。板卡与包括免费WebPack在内的所有版本的Xilinx ISE工具兼容,另外它还配有电源及编程线缆,因此不会给设计工作带来任何隐性成本。

与Twister板不同的是,Digilent板不带有任何IP或参考设计,因此在配置FPGA以进行评估之前,设计人员在需要开发相应的电路功能或下载所需的IP块。

价格同为99美元的Lattice MachXO学习板配有下载电缆和电源。此卡基于LCMX0256C-4T100C FPGA,还配备状态LED和8个I/O LED、8位输入开关、原型区域和33MHz振荡器。

FPGA是MachXO系列中最小的器件,封装了256个查找表(LUT)、78个可配置I/O线及2Kb分布式RAM。为能使用这块卡,必须使用该公司的ispLEVER工具将设计载入FPGA,并用ispVM软件将配置下载到带闪存的FPGA中。

功能更丰富的MachXO标准评估板售价为229美元,其中一些亮点特性包括:密度更高的MachXO器件、可配置的时钟管理器和更大的原型区域。它使用的软件工具与学习板的一样。


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图1:在低于500美元价格的产品目录中,你可以找到一大堆来自FPGA及第三方伙伴的开发板。例如,Dililent公司的入门级板卡支持Xilinx Spartan FPGA(a);Actel公司的Fusion Starter Kit支持该公司新型混合信号FPGA(b);Alearep公司的Twister卡支持Altera Cyclone FPGA,用于评估DDR存储器接口(c);Lattice EC的标准开发板支持该公司的EC FPGA系列(c)。


带有不同密度器件的多个板卡可以支持LatticeEC系列FPGA。在低端产品系列中,一块售价149美元的PCI卡配有的FPGA为LFEC6E-4F484C,售价175美元的PCI卡则配有更大的LFEC20(或ECP20)FPGA。EC6包含768个可编程功能单元和4个DSP块(16个18位乘法器)、92Kb嵌入式存储器、6.1Kb分布式RAM、两个PLL和多达224条I/O线。

EC20的可编程功能单元拓展到2,464个,它还为28个18位乘法器增加了3个DSP。嵌入式存储器容量也扩展到424Kb,分布式RAM容量达79Kb,PLL增加到4个,I/O线可配置引脚增加到400个。

LatticeEC卡与MachOX卡使用同样的软件工具。与MachOX卡不同的是,EC卡可以插入PCI主机系统,因此不需要电源适配器或编程电缆。以预配置位流形式存在的IP演示软件可以从Lattice公司网站下载。

Actel公司带着最近发布的开发套件也进入这一竞争市场。该开发套件支持Actel公司最新混合信号FPGA Fusion系列。售价350美元的Fusion初学者开发套件包括带有AFS600-FG256 Fusion FPGA的评估板,FG256集成了600千逻辑门、108Kb RAM、4Mb闪存、10条模拟四芯电缆、40条模拟I/O线和172条数字I/O线。

由于该评估板具有板上调压功能,所以设计人员可以独立地将每两个I/O组的I/O电压设为1.5V或3.3V。可利用板上高亮度多色彩LED的亮度和颜色变化,来指示温度变化和脉宽调制(PWM)风扇控制。利用40引脚的子板接头,用户就可以增加评估板的功能性或将它连接到更大的目标系统中。

另一个开发套件是Actel公司的Flash-Pro 3。这个便携式、低成本USB 2.0系统编程器从USB接口获取电源,开发套件配有该公司的Gold版本的Libero集成设计环境(IDE),同时还包括编程电缆、电源、技术文档甚至样本设计。

预算价开发套件也支持Actel公司的ProASIC3闪存型FPGA系列。Actel公司售价349美元的评估套件配有直接焊在板上的A3P250器件,售价449美元的原型开发套件配有一个208引脚的插槽,可用来连接不同的ProASIC3系列器件。

稍贵一些的开发套件版本配有一个采用208引脚封装的更大型A3PE600器件。A3P250封装了250千逻辑门、36Kb RAM、1Kb闪存ROM和151条I/O线。更大一些的A3EP600在208引脚封装内封装了600千逻辑门、108Kb RAM、1Kb闪存ROM和15条I/O线。

这些开发板还包括LCD显示模块、8个LED和4个开关。2个CAT5E RJ45连接器表明FPGA器件采用高速的低压差分信号(LVDS)电平。所有的开发套件都配有FlashPro3编程器、Liber IDE、电源、编程电缆、样本设计和技术文档。


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图2:大多数开发及评估板的售价为500美元-2500美元,目前常选用的这一类板卡有QuickLogic的移动应用板(MAB)(a)和Nallatech公司的PC104卡(b)。

中端FPGA开发板

当然,设计人员还可以选择500美元价位以上的多种开发套件。这些开发套件的售价一般为500~5000美元,可提供一些特殊资源,例如:用于测试数千兆串行通道的专用连接器,以及提供高密度FPGA以及更鲁棒的板上外设支持以实现全部系统设计。这样的开发板有QuickLogic公司的移动应用开发板(MAB)、Nallatech公司的PC104卡栈(cardstack),另外还有QuickLogic公司支持低功耗FPGA的开发板,以及LatticeXP公司的高级开发板(见图2)等。

QuickLogic MAB售价999美元,可以连接到英特尔PXA27x处理器开发套件。这款MAB基于QuickLogic公司的Eclipse II QL8325 FPGA,具有两种不同版本,其中一个版本针对Wi-Fi应用,而另一个版本则主要用于硬盘驱动器(HDD)。QL8325 FPGA封装了320千可配置逻辑门、55Kb嵌入式RAM、12个包含8位乘法器和16位累加器的嵌入式运算单元。另外,板上资源还包括4个PLL和310条I/O线。

针对Wi-Fi和HDD连通性应用的完整解决方案包括了板卡、FPGA、参考设计资料,以及Windows CE、Windows Mobile和Linux环境的软件驱动程序。图2中所示的板卡配有硬盘驱动器、两个SD卡插槽、卡总线接口及用来连接FPGA器件I/O引脚的接头。QuickLogic公司还为其QuickMIPS和QuickPCI FPGA提供开发套件。

LatticeXP系列闪存型FPGA器件的高级评估板可以让用户快速评估XP系列FPGA器件的性能,它还可以帮助用户开发定制的系统设计。该评估板售价1,295美元,带有一片直接焊在板上的LFXP10C-4F388C FPGA。

这款FPGA基于优化的LatticeEC逻辑架构,包含1,216个可编程功能单元(PFU)、216Kb嵌入式RAM、39Kb分布式RAM、4个PLL和多达244条I/O线。其PFU有两种类型:一种带有逻辑元件和基于RAM的LUT,而另一种只有逻辑元件。在XP10C上,约1/3的PFU包含LUT。

这个评估板上有些什么配置呢?针对初学者应用,该评估板具有PCI接口、DDR存储器接口、用于实现网络的10/100/1000以太网物理层器件(PHY)以及高速、快循环DRAM。它还具有用于外部时钟输入的表面贴装(SMA)连接器、时钟振荡器、多电源输入和各种LED指示器,并配有下载电缆和插墙式电源适配器。此外,像Lattice公司的其它开发板一样,XP高级评估板也使用ispLEVER和ispVM工具。

Lattice公司最近还发布了一个针对其最新SC系统级芯片系列FPGA器件的开发板。该开发板配有一款该系列产品中更大的一款芯片SC25,该芯片采用900引脚的小间距BGA封装。这款开发板是为那些将集成SFI-4、XSBI、SPI-4.2和DDR2 SDRAM等高性能源同步接口的应用进行功能开发和原型速成,而设计的一个独立平台。

为帮助设计人员评估基于Xilinx Virtex系列器件的设计,Nallatech公司的Ben-NUEY-PCI-104运算卡和DIME-II扩展模块允许设计人员配置一个完整的系统。该运算卡采用PC-104形状因子,它除了具有Virtex II FPGA器件外,还可以将Virtex II、Virtex II Pro或Virtex 4 FPGA等FPGA模块集成到卡上,以扩展逻辑功能。

BenNUEY PCI-104卡包含32b/33MHz PCI接口和3个DIME-II扩展槽,此外还配有8MB零总线回转(ZBT)SRAM、68路背板通用I/O连接器和ZBT接口核心IP。此卡可以与其它包含模拟和数字I/O接口、存储子系统及其它功能的PCI-104卡堆叠在一起,以实现一个完整的系统。每个DIME-II扩展模块可以容纳一到两个Virtex FPGA,其中有些还包括模拟I/O或额外的SRAM或DRAM。单个BenNUEY-PCI-104卡和3个DIME-II模块最多可以支持7个FPGA。

除BenNUEY卡外,Nallatech公司还针对DSP应用提供了两款经过优化的开发套件。其中一款开发套件基于Xilinx Virtex 4系列芯片,而另一款则采用Virtex II Pro器件。适用于Virtex 4的XtremeDSP开发套件包括XC4SX35-10FF668 FPGA,该FPGA器件包含大约35千逻辑单元(约700千门)、约3.5Mb嵌入式存储器、192个专用DSP模块和多达448条I/O线。

除了FPGA器件外,该开发板还包含2个独立的高速模数转换器(ADC)通道(14位,最高速率为105MSps)、2个独立的高速数模转换器(DAC)通道(14位,最高速率为160MSps)、2组ZBT SRAM(512KB×32b)、32位PCI接口和USB1.1串行端口。此外它还包括该公司提供的FUSE软件及XtremeDSP开发套件软件光盘。


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图3:QuickLogic公司的支持其低功耗FPGA的板卡(c)和LatticeXP FPGA开发板(d)也是目前常选用的售价为500美元-2500美元的开发及评估板。

高端FPGA开发板

Xilinx公司针对不同Virtex系列器件的特殊特性,提供支持Virtex系列的多种评估板。例如,Virtex-4 ML450主要瞄准源同步接口,售价为2,262美元。其它几款Virtex II系列评估板和原型板的价格在899美元-1,400美元之间。

一些包含XC2VP70 FPGA的Virtex II Pro开发板的售价大约为4,995美元,这些开发板的针对以嵌入在FPGA中的RocketI/O数千兆收发器为基础的高端串行应用。VP70 FPGA包含两个PowerPC CPU内核、超过30千逻辑单元、2.4Mb SRAM、136个18位乘法器和44条I/O线。

另一款II Pro系列的开发卡XC2VP7只有11千逻辑单元,但包含PowerPC核、792Kb RAM、44个18位乘法器、396条I/O线,这些I/O线具有8个数据传输速度为13Gbps的Rocket I/O数据收发器。

如果应用不需要高速I/O,针对嵌入式系统应用的MP310开发平台可能是一个很好的选择。该开发平台的标价为2,495美元,也是基于Virtex-II Pro XC2VP30 FPGA。许多第三方开发板供应商都支持Virtex II、II Pro和Virtex 4系列产品,可访问Xilinx公司网站查询这些供应商的信息。

Altera公司的Stratix II系列FPGA也有多种类型的开发平台,这些开发平台的售价,从不足1000美元(采用Stratix平台的Nios开发套件)到4,995美元(高速PCI评估板),更有一款高速开发套件的售价为7,995美元,它基于集成了数个千兆I/O通道的高性能Stratix II GX器件。

这些板卡都提供了多方面的资源以支持设计开发。例如,PCI开发套件就具有256MB/333MHz DDR SDRAM、64 MB带引导块的闪存、灵活的定时选项、速率高达800Mbps的差分I/O端口以及带有Windows驱动程序的参考设计。

GX版开发套件基于EP1SGX40G Stratix FPGA,该FPGA支持速率范围为622Mbps至3.125Gbps的串行器/解串器接口。大量的板上连接器支持可通过FPGA实现的许多高速I/O选项,这可以使集成了1Gbps、2Gbps或10Gbps光纤通道接口、OC-12/STM-4和OC-48/STM-16 Sonet/SDH标准,以及SPI-4.2接口和其它许多高速接口的系统的开发变得容易。

利用Lattice公司的ispXPGA评估板,设计人员可以更好地理解ispXPGA的具有非易失性但可无限次可编程的FPGA。此开发板包含的最大FPGA为ispXPGA 1200。这颗FPGA包含大约120万个逻辑门、414Kb嵌入存储器、246Kb分布式RAM、20条高速串行线(sysHSI端口)以及496条用户I/O线。开发板上还带有用于访问高速串行信号的20个表面贴装连接器。Lattice公司的可编程ispPAC芯片还具有电源管理功能。

当一颗FPGA不够用时,VME卡和CompactPCI卡可以用作开发平台,因为它们可集成了多颗FPGA(图4)。例如,VMetro VPF1卡就配有多颗FPGA,并集成了双PowerPC CPU核和2颗Virtex II Pro FPGA。为支持VXS背板交换架构通信标准而设计的VMetro VPF1卡可运行雷达、软件定义无线电及许多其它应用中的DSP算法。


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图4:基于FPGA的高端板卡包括VMetro公司的集成双PowerPC CPU核和2颗Virtex II Pro FPGA的VME卡(a);Nallatech公司的BenERA CompactPCI卡包括2颗Xilinx Virtex-E FPGA和扩展接头(b);Dini最新推出的大型FPGA系统开发板卡DN8000K支持2个Xilinx Virtex 4 FX FPGA和多达14个Virtex 4 LX FPGA(c)。

Nallatech公司的BenERA CompactPCI卡采用了一对Virtex-E FPGA,支持该公司开发的4个DIME-II扩展模块。这些经过预设计的模块配有Virtex II、Virtex II Pro和Virtex 4 FPGA器件,设计人员通过插入DIME-II模块就可以扩展可编程逻辑性能。

Dini集团发布了一款无与伦比的DN8000K10 ASIC原型设计引擎,它在单板上支持多达14颗Virtex 4 LX系列FPGA和4颗Virtex 4 FX系列FPGA。这些FPGA通过时钟频率为350MHz(700Mbps)的源同步LVDS总线互连。完全配置好的板卡可以为设计人员提供近3,700万个逻辑门(利用率为60%时约为2,400万ASIC逻辑门), FPGA在RocketI/O通道内包含有数千兆收发器。

在其多个板上用户接口当中有USB和RS-232端口。4个DDR2 SO-DIMM可提供高达8GB的外部存储器,另外还提供带有闪存、同步SRAM、双速SRAM及其它类型存储器的、引脚兼容的存储模块。此板可预装2-16颗FPGA,带有2颗FPGA的板卡的起价为22,000美元。

附:第三方开发板供应商Alearep B.V. 公司网址:www.alearep.comAvnet Inc. 公司网址:www.avnet.comDigilent Inc. 公司网址:www.digilentinc.comThe Dini Group 公司网址:www.dinigroup.comGiDEL Ltd. 公司网址:www.gidel.comNallatech Ltd. 公司网址:www.nallatech.comSBS Technologies 公司网址:www.sbs.comVMetro Inc. 公司网址:www.vmetro.com

作者:Dave Bursky,数字IC/DSP编辑,《Electronic Design》

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