2020年FPGA开发板详尽选型指南

FPGA开发板的特性非常多，让一般的专业人士在选型时都会感到头疼，不同的外设、接口、连接器、存储器选择让人眼花缭乱。如果你还在为FPGA开发板选型而左右为难，这篇文章将带给你一个清晰明确的选型指南！传统FPGA还是SoC FPGA？

   SoC（片上系统）是一个常见的概念，意思是多项技术共存于一个芯片上，其实，现代FPGA基本都已经SoC化了（集成了PLL，DSP，MEM等IP），但在这里SoC FPGA特指集成了处理器核的FPGA，在这类FPGA内部，可编程逻辑（PL部分）和处理系统（PS部分）通过接口进行片上通信。SoC FPGA内部结构示意   如果你是一个初学菜鸟，强烈建议选择一个SoC FPGA开发板开始学习，因为这种板子的潜力巨大，后续可以学到很多东西（但也要考虑价格因素）。即使如此，刚接触时还是建议不要使用PS部分以及软件编程，就把它当一块传统FPGA用就好。随着学习的深入，再增加难度，逐渐熟悉整个SoC FPGA，并利用处理器核，对可编程逻辑进行读写。后续你也可以试着写些固件、驱动，Linux操作系统以及高层次抽象设计，来体验真正的嵌入式系统设计。即使最简单的SoC FPGA板子都能让你学习好长一阵子。    这类开发板也可以让那些对数字设计感兴趣的软件工程师乐在其中，因为Processor+FPGA的结构让他们可以接触到HLS，异构计算和部分算法加速等非常新潮的技术。   如果你是个只想学习下数字电路设计，弄块板子完成大学学业的新手，或者你的工程就是需要大量传统资源，不需要处理器，那么由于传统FPGA拥有比SoC FPGA更多的基本资源（LUT BRAM DSP等），因此买个传统FPGA性价比更高。   重要新手提示: SoC FPGA开发板中众多的处理器核可能会把你学习可编程逻辑的初心带偏。强烈推荐在你的工程中忽略所有的处理器核，有经验的FPGA工程师们会语重心长地告诉你任何形式的HLS在实际工程中都不太好用。不要听信初学者上来就可以“写C++/Python来在FPGA上运行”的鬼话。

接口和IO:    FPGA是实现高速接口的绝佳工具，因此当你拿到一个开发板时，上面的接口和IO是你首先需要关注的。如果你的板子上有特殊接口，通常厂家都会配一个说明文档以及一系列使用例程，这可以节省你大量的时间。其他新接口也可以通过手动的方式加到板子上，但是就高速接口来说（Ethernet，HDMI，PCIe等），一般很难自己去添加。低速接口，比如UART，CAN，I2C，SPI等则可以通过GPIO来手动添加，因此买板子时不用担心这些。

    另外，一些模拟和传感器接口也很重要，例如ADC, DAC, 摄像头接口, 音频 CODEC等。如果你的工程需要依赖从外界获取的数据，这些接口将是决定项目成败的关键。如果你就想要一个没那么多外设的板子，也最好选一个带有业界标准PMOD 或者 FMC 连接器的，如果未来你想要添加更多的接口，会方便很多。这些标准连接器将FPGA板卡和IO引擎（作为daughter card即插即用）解耦，使得你的FPGA板卡可以灵活地具有多种IO设计。

按钮, LED, 和显示屏:调试FPGA设计是一件非常麻烦地事情，和MCU不一样。在MCU中，你可以将print语句和断点插在代码中任意地方，而在FPGA中，则不存在这种操作，这也是让FPGA开发者很抓狂的事情。如果你的板子上有开关和LED的话，将会在FPGA设计和现实世界之间建立起直观反馈，因为LED可以将状态寄存器的当前状态显示出来(就像CPU设计中的状态机的当前状态)。然而，这都不是什么购买开发板的决定性因素，因为LED、按钮、开关、LCD什么的通过GPIO连接器很好添加。

资源数量:    资源量是FPGA一个非常重要的指标,一般以可编程逻辑单元的数量表示。可编程逻辑单元可以是LUTS,BRAM,DSP或者是IOB等。更加复杂的器件（例如Xilinx Versal）还有像AI、视频、音频单元等。了解这些资源的数量非常重要，因为它决定了你的工程的大小上限。

对于同一个工程，由于各个厂家的芯片CLB结构的不同，在不同硬件平台上的资源使用数量也不尽相同。

    FPGA将配置数据（bitstream）存储在SRAM单元中，因为SRAM是易失性存储器，每当芯片掉电，程序就会丢失。为了解决上述问题，FLASH（老板子上还在用EEPROM）存储器可以在掉电情况下用来存储bitstream数据。每次上电，FPGA检查Flash中的码流，并自动进行配置。    另一种重要的存储器则是板上的外部易失性存储，最常见的就是DDR SDRAM。这在你的工程需要本地存储数据时十分有用，因为片上BRAM资源一般非常有限，而快速的DDR读写数据形式很好的解决了这个问题。

Utrascale+器件的资源列表

EDA工具链:    EDA工具是大家决定选择哪家开发板的决定性因素，对于初学者来说，易用是第一要考虑的，厂商的Q&A论坛，相关whitepaper，userguide文档的齐备性，软件免费版本是否能方便地获取也十分重要。    开源EDA作为学习使用，也可以考虑，像ICEStorm就对Lattice器件进行了逆向工程，整个软件大小只有300M（相对来说，Xilinx软件安装程序达30G），运行速度非常快。软件的一些使用限制也要搞清楚，比如Xilinx 7系列以下芯片只能用ISE来进行设计。

编程界面:    编程下载模块将编译好的码流从PC下载到FPGA中，最常见的标准有：

-JTAG

-USB

-SPI - Flash

-Micro SD card

    对于初学者，请确保你的板子上有USB接口，否则你就必须花钱买一个JTAG下载器，. Digilent的这篇文章

https://blog.digilentinc.com/how-to-program-your-fpga-there-are-four-ways/

就解释了所有这4种下载方式的细节。

PLLs, 时钟资源以及工作频率：    这部分可能就不是初学者所能理解的了，但对于有一些开发经验，想让自己的设计满足特定需求的人来说，依然十分重要。在进行网络相关的设计时（需要维持精确的数据率以及从数据中恢复时钟），需要特别注意时钟资源，工作频率和最大频率对功耗/热耗散特性影响明显。

特定应用需求:如果你是想买个FPGA开发板来评估手边的一个特定应用需求，则对需求的深度挖掘是必须要做的，例如:

- 机器学习, DSP, RF 相关项目需要大量LUT和DSP资源来进行MAC运算.

- 机器人, 仪器以及图像处理相关项目一般需要SoC系统来运行常规软件，并在使用RTOS时对工程进行动态调整。

- 数据采集, 实时视频处理以及基于包的通信相关项目需要大量存储数据，因此大容量DDR和更快速的存储器接口.

最后，对于大多数人来说，最大的决定性因素则是：预算:    FPGA还算是比较昂贵的器件了(相对于MCU或者软件来说)，这给大家制造了一个比较大的入门障碍，因此找到一款买得起而且用起来不心疼的FPGA开发板十分重要。$100-200的价格范围是一个比较合适的预算区间，$50左右的也有，但就是要在上述特征中做一个艰难的取舍了。当然，以上是美国市场的情况，在中国，你可以在X宝买到便宜到难以置信的二手板子，具体可以参看之前的一篇推送 5块钱的ZYNQ开发板。最佳推荐：   在考虑到上面所有因素之后，我们给出了综合性价比最好的一些建议，至于预算，$100-300是一个黄金区间。SoC FPGA推荐：    $200以内最佳的SoC FPGA一定是PYNQ - Z2 (/Z1)，原因如下：PYNQ开发板外设齐全，核心芯片是一个Zynq Z7020 SoC，逻辑资源充沛.无缝集成了python环境，只需安装设置好 jupyter notebook就可以使用.Zynq拥有成熟的生态,相关教程和书籍网上都能找到.开源社区中有大量 PYNQ 工程实例官方网站有更详细的feature介绍 http://www.pynq.io/board.html

PYNQ开发板的横向比较，板子都是粉色（PINK）的

    可以看到，PYNQ-Z1 和 PYNQ-Z2唯一的区别就是音频codec和header，Z2稍好但其实和Z1没有太大本质区别。   另一个推荐是Terasic DE-10 Nano，价格 $130 ($110 for academic) ，基本上性价比算非常高了，除此之外，如今非常流行的MiSTer project（使用现代FPGA实现的怀旧小游戏模拟器）就是完全基于DE10-Nano开发板，这个工程在狂热的游戏玩家和电脑工程师圈里备受推崇。DE10-Nano开发板使用了110K LE的CycloneV作为核心FPGA，其参数如下:

DE10-Nano开发板的详细参数

   这个板子需要用Intel的EDA工具进行设计，因为有MiSTer project的存在，板子的相关教程和社区资料也相对完善。

DE10-Nano开发板的正面   第三个推荐则是Zturn开发板，这板子什么都好，就是没有 USB-JTAG编程接口。唯一的编程方式是使用micro SD卡或者JTAG下载器。如果你不介意或是已经有了JTAG下载器，可以考虑一下。介绍：http://www.myirtech.com/list.asp?id=502

Zturn开发板参数   如果你不想要开发板上那么多外设，只是把所有的GPIO留出来，那么第4个选择则是Ultra96 这个大家伙。这个开发板基于Zynq ultrascale+ FPGA，售价$249，功能十分强大，初学者用有点浪费...

Ultra96开发板架构

传统FPGA推荐：   Digilent Arty A7可入选最佳，理由如下：大量外设和接口.

可编程逻辑资源丰富

支持Xilinx免费EDA工具的最新版本(Vivado Webpack)保证外设可以通过安捷伦PMOD connector进行连接.详尽的支持文档和参考设计以及丰富的社区. 两个版本分别是Arty A7-35T 以及Arty A7-100T . 根据预算选择即可,外设都是一样的。

Digilent Arty A7开发板参数

Digilent Arty A7售价为$129起，板子颜值还不错

   另一个推荐则是Basys 3开发板，核心FPGA为XC7A35T-1CPG236C（看来A7-35T是开发板的一个香饽饽）， 唯一的不足是其没有ethernet接口。.

Digilent Basys 3售价为$170左右起

付不起$100怎么办？    不用担心，这个价位依然有非常不错的FPGA推荐...比如Digilent Cmod A7 以及Sparkfun Alchitry Cu。

Cmod A7 $75就能搞定Alchitry Cu 基于Lattice iCE40 HX, 并且支持全开源的ICEStorm工具进行开发.

Alchitry Cu售价$50左右

    如果你真的打算买一个很便宜的开发板，也请看看下面这篇介绍，里面的廉价开发板会让你挑花眼的：https://www.joelw.id.au/FPGA/CheapFPGADevelopmentBoards（改天再把这篇介绍介绍，很多宝藏在里面）

当然，所有的这些开发板，都离不开学习资源和社区支持:

   FPGA和MCU开发很不一样，没有stackoverflow, 开源资料少。一但开发中遇到问题，可能只能论坛上发发贴子，期待有人遇到同样的问题并告诉你解决方法，作为初学者，板子的参考设计、原理图以及用户手册非常重要。

  - 推荐一个很好的学习资源，相信很多人都知道-The Zynq Book by Xilinx.

  - 另外，一些板子还有自己的粉丝群，比如DE10-Nano开发板围绕 MiSTer project 有相当多的死忠.

看到这里，各位对这些开发板有什么看法，或者有什么更好的开发板选择建议么？可以留言回复 : )
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