FPGA器件選型研究

       1 引 言

       現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA有集成度高、體積小、靈活可重配置、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

       隨著FPGA技術(shù)的成熟和不斷飛速發(fā)展，數(shù)字電路的設(shè)計(jì)只需一片FPGA器件、一些存儲(chǔ)設(shè)備和一些電氣接口匹配電路的解決方案已成為主流選擇方案。根據(jù)多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)數(shù)字系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA器件的選型非常重要，不合理的選型會(huì)導(dǎo)致一系列的后續(xù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，有時(shí)甚至?xí)乖O(shè)計(jì)失敗；合理的選型不光可以避免設(shè)計(jì)問(wèn)題，而且可以提高系統(tǒng)的性價(jià)比，延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期，獲得預(yù)想不到的經(jīng)濟(jì)效果。

       經(jīng)過(guò)深入研究，總結(jié)了以下選型問(wèn)題：器件的供貨渠道和開(kāi)發(fā)工具的支持；器件的硬件資源；器件的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)；器件的速度等級(jí)；器件的溫度等級(jí)；器件的封裝；器件的價(jià)格。 

       2 FPGA器件選型應(yīng)該考慮的問(wèn)題

       2．1 器件的供貨渠道和開(kāi)發(fā)工具的支持

      目前，主要的FPGA供應(yīng)商有Xllinx公司、Altera公司、Lattic公司和Actel公司[1]，其中Xllinx公司和Altera公司的規(guī)模最大，能提供器件的種類(lèi)非常豐富[2，3]。FPGA的發(fā)展速度非?？欤芏嘈吞?hào)的FPGA器件已不是主流產(chǎn)品，為了提高產(chǎn)品的生命周期，最好在貨源比較足的主流器件中選型。目前，Altera公司的主流器件有CycloneⅡ，CycloneⅢ，StatixⅡ，StatixⅡGX，StatixⅢ和StatixⅢGX等系列，其中CycloneⅡ和CycloneⅢ系列主要應(yīng)用于邏輯設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)處理，StatixⅡ和StatixⅢ系列主要應(yīng)用于高速?gòu)?fù)雜數(shù)字信號(hào)處理和高速邏輯設(shè)計(jì)，StatixⅡGX和StatixⅢGX系列主要應(yīng)用于通訊領(lǐng)域[1]；Xllinx公司的主流器件有Spartan-3E，Spartan-3A，Virtex-4LX，Virtex-4 SX，Virtex-4 FX，Virtex-5 LX，Virtex-5SX和Virtex-5 FX等系列，其中Spartan-3E和Spartan-3A系列主要應(yīng)用于邏輯設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單數(shù)字信號(hào)處理，Vir-tex-4 LX和Virtex-5 LX系列主要應(yīng)用于高速邏輯設(shè)計(jì)，Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列主要應(yīng)用于高速?gòu)?fù)雜數(shù)字信號(hào)處理，Virtex-4 FX和Virtex-5 FX系列主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)[3]。

       兩家公司都提供了優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)工具。Xllinx公司有集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ISE，Altera公司有集成開(kāi)發(fā)環(huán)境QuartusⅡ，兩個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境支持本公司所有器件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[2，3]。該集成開(kāi)發(fā)環(huán)境不僅功能強(qiáng)大、界面友好，而且有很多第三方合作伙伴提供相應(yīng)的技術(shù)支持，能使器件獲得更高的性能。因此，如果沒(méi)有特殊應(yīng)用要求，建議最好在這兩家公司進(jìn)行器件選型。

      2．2器件的硬件資源

      硬件資源是器件選型的重要標(biāo)準(zhǔn)。硬件資源包括邏輯資源、I／O資源、布線資源、DSP資源、存儲(chǔ)器資源、鎖相環(huán)資源、串行收發(fā)器資源和硬核微處理器資源等。

      邏輯資源和I／O資源的需求是每位設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問(wèn)題，一般都會(huì)考慮到，可是，過(guò)度消耗I／O資源和布線資源可能產(chǎn)生的問(wèn)題卻很容易被忽視。主流FPGA器件中，邏輯資源都比較豐富，一般可以滿足應(yīng)用需求?？墒?，在比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中，過(guò)度I／O資源的消耗可能會(huì)導(dǎo)致2個(gè)問(wèn)題[2，3]：FPGA負(fù)荷過(guò)重，器件發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重影響器件的速度性能、工作穩(wěn)定性和壽命，設(shè)計(jì)中要考慮器件的散熱問(wèn)題；局部布線資源不足，電路的運(yùn)行速度明顯降低，有時(shí)甚至使設(shè)計(jì)不能適配器件，設(shè)計(jì)失敗。根據(jù)本人的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)：

      (1)在做復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，位數(shù)比較高的乘法器和除法器對(duì)全局布線資源的消耗量比較大；

      (2)在做邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，雙向I／O口對(duì)局部布線資源的消耗量比較大；

      (3)在利用存儲(chǔ)器資源設(shè)計(jì)濾波器的應(yīng)用場(chǎng)合，局部布線資源的消耗量比較大；

      (4)在電氣接口標(biāo)準(zhǔn)比較多，而邏輯比較復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，局部布線資源的消耗量比較大。據(jù)Altera公司推薦，設(shè)計(jì)中最好能預(yù)留30％以上的邏輯資源、20％以上的I／O資源和30％以上的布線資源[1]。而且，從兩家公司器件的結(jié)構(gòu)看，Xllinx公司器件的可編程邏輯塊相對(duì)于Al-tera公司要復(fù)雜一些，使用起來(lái)要靈活一些。在一些復(fù)雜的、控制信號(hào)比較多的設(shè)計(jì)中，適合選用Xllinx公司的產(chǎn)品。不過(guò)Xllinx公司器件布線資源是分段的，器件延時(shí)的可預(yù)測(cè)性要差一些。在這些應(yīng)用場(chǎng)合，最好首先做設(shè)計(jì)仿真，對(duì)設(shè)計(jì)?肖耗的布線資源，尤其是很容易被忽視的局部布線資源，要有一個(gè)比較充分的了解，然后在考慮器件選型，是比較理想的。

      在做乘法運(yùn)算比較多而且對(duì)速度性能要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，最好能選用帶DSP資源比較多的器件，例如，Altera公司的StatixⅡ和StatixⅢ系列[2]，Xllinx公司的Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列等[3]。

      器件中的存儲(chǔ)器資源主要有2種用途[2，3]：作高性能濾波器；實(shí)現(xiàn)小容量高速數(shù)據(jù)緩存。這是一種比較寶貴的硬件資源，一般器件中的存儲(chǔ)器資源都不太多，存儲(chǔ)器資源較多的器件邏輯容量也非常大，用得也比較少，供貨渠道也不多，器件價(jià)格也非常高。因此，在器件選型時(shí)，最好不要片面追求設(shè)計(jì)的集成度而選用這種器件，可以考慮選用低端器件+外擴(kuò)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方案。

      目前，主流FPGA中都集成了鎖相環(huán)，利用鎖相環(huán)對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行相位鎖定，可以使電路獲得更穩(wěn)定的性能。Xllinx公司提供的是數(shù)字鎖相環(huán)，其優(yōu)點(diǎn)是能獲得更精確的相位控制，其缺點(diǎn)是下限工作頻率較高，一般在24 MHz以上；Altera公司提供的是模擬鎖相環(huán)，其優(yōu)點(diǎn)是下限工作頻率較低，一般在16 MHz以上，其主流器件StatixⅡ和StatixⅢ系列中的增強(qiáng)型鎖相環(huán)工作頻率只要求在4 MHz以上，其缺點(diǎn)是對(duì)時(shí)鐘相位的控制精度相對(duì)較差。

      在通訊領(lǐng)域里，用光纖傳輸高速數(shù)據(jù)是一個(gè)比較常用的解決方案。A1tera公司的StatixⅡGX和StatixⅢGX系列[1]，Xllinx公司的Virtex-4 FX和Virtex-5 FX系列[2]都集成了高速串行收發(fā)器，這種器件價(jià)格一般都比較高。目前，National和Maxim等公司提供的高性能專用串行收發(fā)芯片價(jià)格都不高[4，5]，因此，如果只是進(jìn)行光纖數(shù)據(jù)傳輸沒(méi)計(jì)，大可不必選用這種器件；如果是光纖數(shù)據(jù)傳輸+邏輯或算法比較復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，最好是將兩種方案進(jìn)行比較，然后考慮是否選用該器件。

      利用集成硬核微處理器的FPGA器件進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)，代表嵌入式應(yīng)用的一個(gè)方向。Altera公司提供集成ARM[2]的APEX系列器件，Xllinx公司提供集成Power-Pc[3]的Virtex-4 FX和virtex-5 FX系列器件。隨著器件價(jià)格不斷下降，在很多應(yīng)用場(chǎng)合，在不增加成本的情況下，選用該器件和傳統(tǒng)FPGA+MCU的應(yīng)用方案相比，能大幅度提高系統(tǒng)性能和降低硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。此時(shí)，選用該器件是比較理想的。

      2．3 電氣接口標(biāo)準(zhǔn)

      目前，數(shù)字電路的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)非常多。在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多種電氣接口標(biāo)準(zhǔn)。目前，主流FP-GA器件支持的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)有[1，2]：1．5 V，1．5-V 等，可以滿足絕大部分應(yīng)用設(shè)計(jì)需求。

 

      可是，F(xiàn)PGA器件的每一個(gè)I／O并不支持所有的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)，以Altera公司的FPGA為例，只有部分1／O支持SSTL-2 ClassⅡ電氣接口標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)DDR進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致PCB布線相當(dāng)復(fù)雜，器件的I／O管腳利用率相當(dāng)?shù)?。而Xllinx公司的FPGA幾乎所有的管腳都支持SSTL-2 ClassⅡ電氣接口標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)選用Xllinx公司的FPGA是比較理想的。

      2．4 器件的速度等級(jí)

      關(guān)于器件速度等級(jí)的選型，一個(gè)基本的原則是：在滿足應(yīng)用需求的情況下，盡量選用速度等級(jí)低的器件。該選型原則有如下好處[2，3]：

      (1)由于傳輸線效應(yīng)，速度等級(jí)高的器件更容易產(chǎn)生信號(hào)反射，設(shè)計(jì)要在信號(hào)的完整性上花更多的精力； (2)速度等級(jí)高的器件一般用得比較少，價(jià)格經(jīng)常是成倍增加，而且高速器件的供貨渠道一般比較少，器件的訂貨周期一般都比較長(zhǎng)，經(jīng)常會(huì)延誤產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的上市率。

      2．5 器件的溫度等級(jí)

      某些應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)器件的環(huán)境溫度適應(yīng)能力提出了很高的要求，此時(shí)，就應(yīng)該在有工業(yè)級(jí)甚至是軍品級(jí)或宇航級(jí)的器件中進(jìn)行選型。據(jù)調(diào)研，Altera公司每種型號(hào)的FPGA都有工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；Xllinx公司每種型號(hào)的FPGA都有工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，部分型號(hào)的FPGA提供軍品級(jí)和宇航級(jí)產(chǎn)品。如果設(shè)計(jì)主要面向軍用或航天應(yīng)用，最好選用Actel公司的器件，該公司的器件主要面向這些用戶。 2．6 器件的封裝

      目前，主流器件的封裝形式有[2，3]：QFP，BGA和FB-GA，BGA和FBGA封裝器件的管腳密度非常高，設(shè)計(jì)中必須使用多層板，PCB布線相當(dāng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本比較高，器件焊接成本比較高，因此，設(shè)計(jì)中能不用盡量不用。不過(guò)，在密度非常高，集成度非常高和對(duì)PCB板體積要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，盡量選用BGA和FBGA封裝器件。還有一種情況，在電路速度非常高的應(yīng)用場(chǎng)合，最好選用BGA和FBGA封裝器件，這2種封裝器件由于器件管腳引線電感和分布電容比較小，有利于高速電路的設(shè)計(jì)。

      2．7 器件的價(jià)格

      器件集成度不斷提高，性能不斷上升，而價(jià)位不斷下降是FPGA器件發(fā)展的普遍趨勢(shì)，因此，在不斷推出的新型器件中選型是一個(gè)基本規(guī)律[2，3]。以Xllinx公司剛推出的Virtex-5為例，性能比Virtex-4提高30％，而相對(duì)價(jià)位卻降低35％。

      3 結(jié) 語(yǔ)

      本文是筆者多年從事FPGA器件應(yīng)用開(kāi)發(fā)和對(duì)FP-GA技術(shù)不斷跟蹤的結(jié)晶。文中不僅結(jié)合部分應(yīng)用實(shí)例對(duì)FPGA器件的選型進(jìn)行了深入的總結(jié)，而且提供了大量的最新器件信息。這些內(nèi)容對(duì)從事FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)的人員有很大的參考價(jià)值。