FPGA器件選型研究
技術(shù)分類： 可編程器件  | 2008-01-11 
來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù) | 作者：中科院上海技術(shù)物理研究所 童 鵬 胡以華
　　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F(xiàn)PGA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??；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，能提供器件的種類非常豐富[2，3]。FPGA的發(fā)展速度非?？?，很多型  
號(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。