FPGA器件選型研究

       1 引 言

       現場可編程門陣列FPGA有集成度高、體積小、靈活可重配置、實驗風險小等優(yōu)點，在復雜數字系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用。

       隨著FPGA技術的成熟和不斷飛速發(fā)展，數字電路的設計只需一片FPGA器件、一些存儲設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。根據多年的應用經驗，相關數字系統(tǒng)中，FPGA器件的選型非常重要，不合理的選型會導致一系列的后續(xù)設計問題，有時甚至會使設計失?。缓侠淼?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/選型">選型不光可以避免設計問題，而且可以提高系統(tǒng)的性價比，延長產品的生命周期，獲得預想不到的經濟效果。

       經過深入研究，總結了以下選型問題：器件的供貨渠道和開發(fā)工具的支持；器件的硬件資源；器件的電氣接口標準；器件的速度等級；器件的溫度等級；器件的封裝；器件的價格。 

       2 FPGA器件選型應該考慮的問題

       2．1 器件的供貨渠道和開發(fā)工具的支持

      目前，主要的FPGA供應商有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，能提供器件的種類非常豐富[2，3]。FPGA的發(fā)展速度非?？欤芏嘈吞柕腇PGA器件已不是主流產品，為了提高產品的生命周期，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系列主要應用于邏輯設計和簡單的數字信號處理，StatixⅡ和StatixⅢ系列主要應用于高速復雜數字信號處理和高速邏輯設計，StatixⅡGX和StatixⅢGX系列主要應用于通訊領域[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系列主要應用于邏輯設計和簡單數字信號處理，Vir-tex-4 LX和Virtex-5 LX系列主要應用于高速邏輯設計，Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列主要應用于高速復雜數字信號處理，Virtex-4 FX和Virtex-5 FX系列主要應用于嵌入式系統(tǒng)[3]。

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

      2．2器件的硬件資源

      硬件資源是器件選型的重要標準。硬件資源包括邏輯資源、I／O資源、布線資源、DSP資源、存儲器資源、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計人員最關心的問題，一般都會考慮到，可是，過度消耗I／O資源和布線資源可能產生的問題卻很容易被忽視。主流FPGA器件中，邏輯資源都比較豐富，一般可以滿足應用需求。可是，在比較復雜的數字系統(tǒng)中，過度I／O資源的消耗可能會導致2個問題[2，3]：FPGA負荷過重，器件發(fā)熱嚴重，嚴重影響器件的速度性能、工作穩(wěn)定性和壽命，設計中要考慮器件的散熱問題；局部布線資源不足，電路的運行速度明顯降低，有時甚至使設計不能適配器件，設計失敗。根據本人的應用經驗：

      (1)在做復雜數字信號處理時，位數比較高的乘法器和除法器對全局布線資源的消耗量比較大；

      (2)在做邏輯設計時，雙向I／O口對局部布線資源的消耗量比較大；

      (3)在利用存儲器資源設計濾波器的應用場合，局部布線資源的消耗量比較大；

      (4)在電氣接口標準比較多，而邏輯比較復雜的應用場合，局部布線資源的消耗量比較大。據Altera公司推薦，設計中最好能預留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構看，Xllinx公司器件的可編程邏輯塊相對于Al-tera公司要復雜一些，使用起來要靈活一些。在一些復雜的、控制信號比較多的設計中，適合選用Xllinx公司的產品。不過Xllinx公司器件布線資源是分段的，器件延時的可預測性要差一些。在這些應用場合，最好首先做設計仿真，對設計?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。

      在做乘法運算比較多而且對速度性能要求比較高的應用場合，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]。

      器件中的存儲器資源主要有2種用途[2，3]：作高性能濾波器；實現小容量高速數據緩存。這是一種比較寶貴的硬件資源，一般器件中的存儲器資源都不太多，存儲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，器件價格也非常高。因此，在器件選型時，最好不要片面追求設計的集成度而選用這種器件，可以考慮選用低端器件+外擴存儲器的設計方案。

      目前，主流FPGA中都集成了鎖相環(huán)，利用鎖相環(huán)對時鐘進行相位鎖定，可以使電路獲得更穩(wěn)定的性能。Xllinx公司提供的是數字鎖相環(huán)，其優(yōu)點是能獲得更精確的相位控制，其缺點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系列中的增強型鎖相環(huán)工作頻率只要求在4 MHz以上，其缺點是對時鐘相位的控制精度相對較差。

      在通訊領域里，用光纖傳輸高速數據是一個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)芯片價格都不高[4，5]，因此，如果只是進行光纖數據傳輸沒計，大可不必選用這種器件；如果是光纖數據傳輸+邏輯或算法比較復雜的應用場合，最好是將兩種方案進行比較，然后考慮是否選用該器件。

      利用集成硬核微處理器的FPGA器件進行嵌入式開發(fā)，代表嵌入式應用的一個方向。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。隨著器件價格不斷下降，在很多應用場合，在不增加成本的情況下，選用該器件和傳統(tǒng)FPGA+MCU的應用方案相比，能大幅度提高系統(tǒng)性能和降低硬件設計復雜程度。此時，選用該器件是比較理想的。

      2．3 電氣接口標準

      目前，數字電路的電氣接口標準非常多。在復雜數字系統(tǒng)中，經常會出現多種電氣接口標準。目前，主流FP-GA器件支持的電氣接口標準有[1，2]：1．5 V，1．5-V 等，可以滿足絕大部分應用設計需求。

 

      可是，FPGA器件的每一個I／O并不支持所有的電氣接口標準，以Altera公司的FPGA為例，只有部分1／O支持SSTL-2 ClassⅡ電氣接口標準，在對DDR進行設計時，會導致PCB布線相當復雜，器件的I／O管腳利用率相當低。而Xllinx公司的FPGA幾乎所有的管腳都支持SSTL-2 ClassⅡ電氣接口標準，此時選用Xllinx公司的FPGA是比較理想的。

      2．4 器件的速度等級

      關于器件速度等級的選型，一個基本的原則是：在滿足應用需求的情況下，盡量選用速度等級低的器件。該選型原則有如下好處[2，3]：

      (1)由于傳輸線效應，速度等級高的器件更容易產生信號反射，設計要在信號的完整性上花更多的精力； (2)速度等級高的器件一般用得比較少，價格經常是成倍增加，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，經常會延誤產品的研發(fā)周期，降低產品的上市率。

      2．5 器件的溫度等級

      某些應用場合，對器件的環(huán)境溫度適應能力提出了很高的要求，此時，就應該在有工業(yè)級甚至是軍品級或宇航級的器件中進行選型。據調研，Altera公司每種型號的FPGA都有工業(yè)級產品；Xllinx公司每種型號的FPGA都有工業(yè)級產品，部分型號的FPGA提供軍品級和宇航級產品。如果設計主要面向軍用或航天應用，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，設計中必須使用多層板，PCB布線相當復雜，設計成本比較高，器件焊接成本比較高，因此，設計中能不用盡量不用。不過，在密度非常高，集成度非常高和對PCB板體積要求比較高的應用場合，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用場合，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計。

      2．7 器件的價格

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

      3 結 語

      本文是筆者多年從事FPGA器件應用開發(fā)和對FP-GA技術不斷跟蹤的結晶。文中不僅結合部分應用實例對FPGA器件的選型進行了深入的總結，而且提供了大量的最新器件信息。這些內容對從事FPGA應用設計的人員有很大的參考價值。