FPGA硬件系统设计与应用研究

麦皓然

摘 要：如今数字化信息技术快速发展，数字电路系统中，FPGA器件起到的作用日渐凸显。FPGA是一种可以編程的器件，在几十年中，FPGA已经从电子设计外围器件发展为数字电路核心器件，并且FPGA器件已经在很多领域有所应用，比如计算机、航空航天、通信等领域。半导体工艺技术的发展使得FPGA设计也实现了一定的进步。本文就FPGA进行简要的阐述，明确FPGA设计需要遵循的原则以及具体应用。

关键词：FPGA硬件系统；设计；应用

FPGA也就是现场可编程门阵列，将GAL、PAL等可编程器件作为基础，并进一步发展成为FPGA。在专门集成电路中，FPGA是以半定制电路存在的，能够使得定制电路的缺陷得到弥补，并避免了传统可编程器件门电路数不足的情况。

一、FPGA的概述分析

目前电路设计是使用硬件描述语言进行的，简单进行汇总，并且使其布局更加合理，将其快速的烧录到FPGA器件中，做好基本测试，这是当前数字系统设计中使用的主要检验技术。可编程器件可以被应用到基本逻辑门电路中，还能够在相对复杂的功能组合中发生作用，比如解码器等。大部分的FPGA器件中都有记忆性的元件，这是比记忆性元件更加完整，功能更加齐全的记忆块。

设计人员可以结合自身情况，将FPGA器件中的逻辑模块通过可编辑链接组合到一起，将这个电路实验放置在电子芯片中，FPGA器件出厂之后，设计人员需要结合设计对连接方式以及逻辑块的应用情况进行优化调整，使得逻辑功能的不同情况得以顺利实现。

电子设计中应用FPGA器件就需要对其硬件系统中可能出现的设计问题进行处理，硬件设计过程中必须要解决以下问题：

1、将I/O信号进行优化配置

I/O信号优化配置过程中，需要先在列表中将需要配置的I/O信号列出[1]，依据主次地位进行排位，然后对模块间的兼容性进行检查，依据表格以及兼容准则，将限制最大的信号配置在特定引脚上，限制最小的信号要最后分配，其余的信号要分配到合适的位置上。

2、减少静态功耗

相比于动态功耗，静态功耗基本上可以忽略不计，但是静态功耗对于一些供电设备而言依旧至关重要。静态电流的影响因素有很多，比如I/O端口没有完全关闭或联通等，此外还需要使用静态功率维持编程信息，

二、FPGA硬件系统设计遵循的原则

FPGA器件有着极为丰富的时序逻辑以及技术，优势比较明显，被很多设计人员应用，FPGA硬件系统设计中需要使用科学的设计方法，使得FPGA应用中的不足得以弥补，优化设计功能。

1、层次化设计

层次化设计中，将系统分为若干顶层模块，每一个顶层模块中包含很多小模块。模块的层次化设计可以是结构图，也可以是利用逻辑语言描述出来的实体内容。

对于划分系统模块而言，层次化设计是极为重要的，如果模块不能被合理划分，系统设计也会受到影响，导致系统的性能受到限制。实现层次化设计能够使得设计更加可读，并且能够重复使用。

2、同步设计

要使时序电路能够正常的运行工作，就需要依据之前设计好的逻辑顺序开展工作。如果在工作中不按照这一顺序进行，储存单元中就容易有错误数据进入，使得操作出现错误。同步设计就是利用全分布周期同步信号，及时更新系统中的储存单元，这是时序电路工作的有效设计方法。电路设计功能的实现也需要依托时钟信号，并依据时序顺利进行。静态同步设计过程中，必须要保证储存单元具有一定的边缘敏感性，使每一个边缘敏感部位的时钟输入应该是一次输入时钟某一个函数[2]。

FPGA器件的同步设计就是将主时钟触发进行改变，相同系统中的不同功能模块可以实现部分异步，但是需要保证模块时间是同步进行的。

三、FPGA硬件系统的设计应用

1、电路设计中的应用

电路设计中应用FPGA硬件系统是存在一定难度的，这需要开发人员具有一定的电路知识，并了解开发程序等，但是这些人才的数量并不多，一般都是新技术、新产品开发成功后，逐渐发展成为主流的市场产品，为产品设计应用提供便利。未来，通用以及专用IP设计将成为发展的重点以及热点，进行电路设计就是要具备一定的硬件知识，并快速入门。

2、产品设计中的应用

FPGA技术与专业技术融合其实就是将比较成熟的技术应用到特定领域中，比如通信、信息处理等领域，能够开发出与行业以及客户需要相适应的产品，这一设计注重性能实现。此外还有设计专业客户产品的界面问题，涉及专业的工具以及民用产品等，这一设计注重价格，通过设计价格敏感的产品保证其功能顺利实现。在产品设计中，FPGA技术具有接口、控制、内嵌CPU等优势[3]，能够使设计出的产品有比较简单的结构，有更高的固化性，并且具备相对齐全的功能，FPGA技术将在未来产品设计市场中有极为广泛的应用。在具体设计应用过程中对产品设计人才也提出了较高的要求，需要建立优质、全面的技术设计团队，更好地促进产品设计行业的发展。

3、系统级的应用

系统级的应用是将计算机技术与FPGA相结合，构建FPGA版的计算机系统。比如XilinxV-4、V-5系列的FPGA，将POWER PC CPU内嵌[4]，加之外围功能的配合，形成基本环境，在这一平台实现LINUX等系统，能够对标准外设以及功能接口提供支持，更加积极的构建大型的FPGA系统。但是这种系统的早期优势并不明显，但是如果能够将FPGA的优势充分发挥出来，也将会成为重要的发展方向。系统级应用过程中，需要开发人员具有到一定的系统扩充开发能力，并且很好的适应快速发展变化的市场。

结束语：

总而言之，FPGA硬件系统是一种可以编程的器件，在很多领域中都有极为广泛的应用，并且逐步发展成为数字化的电路核心部分，随着各种信息技术以及工艺的进步，FPGA硬件系统的设计也实现了跨越式的进步，相信未来FPGA硬件系统能够实现更好地设计与应用，为社会发展提供支持。

参考文献

[1]刘更，王清理，孟伟，赵甫，张宝. 基于ARM和FPGA的经济型数控系统硬件设计与实现[J]. 计算机工程与设计，2012，04：1392-1397.

[2]许川佩，唐海，胡聪. 基于FPGA的NoC硬件系统设计[J]. 电子技术应用，2012，02：117-119+123.

[3]李石林，段吉海，晋良念，谢跃雷. 基于FPGA的数字存储系统硬件设计[J]. 电视技术，2012，07：20-23.

[4]张启英，刘亚刚，张淑艳，朱娟. 基于FPGA的硬件加速器设计的研究与应用[J]. 计算机光盘软件与应用，2013，17：276-277.