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第五章、FPGA實戰開發技巧
5.1 FPGA 器件選型常識
作者： 童 鵬、胡以華/中科院上海技術物理研究所
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設計問題，有時甚至會使設計失敗；合理的選型不光可以避免設計問題，而且可以提高系統的性價比，延長產品的生命周期，獲得預想不到的經濟效果。FPGA 器件選型有以下7 個原則：器件的供貨渠道和開發工具的支持、器件的硬件資源、器件的電氣接口標准、器件的速度等級、器件的溫度等級、器件的封裝和器件的價格。
5.1.1器件的供貨渠道和開發工具的支持
目前，主要的FPGA 供應商有賽靈思公司、Altera 公司、Lattic 公司和Actel 公司等， FPGA 的發展速度非常快，很多型號的FPGA 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。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、Virtex-5 FX、Spartan-6 和Virtex － 6 等系列，其中Spartan-3E 和Spartan-3A 系列主要應用於邏輯設計和簡單數字信號處理，Virtex-4 LX 和Virtex-5 LX 系列主要應用於高速邏輯設計，Virtex-4 SX 和Virtex-5 SX 系列主要應用於高速復雜數字信號處理，Virtex-4 FX 和Virtex-5 FX 系列主要應用於嵌入式系統。
賽靈思公司有集成開發環境ISE，Altera 公司有集成開發環境Quartus Ⅱ，兩個集成開發環境支持本公司所有器件的設計和開發。該集成開發環境不僅功能強大、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。
5.1.2 器件的硬件資源
硬件資源是器件選型的重要標准。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、鎖相環資源、串行收發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中，過度I ／ O 資源的消耗可能會導致2 個問題：FPGA 負荷過重，器件發熱嚴重，嚴重影響器件的速度性能、工作穩定性和壽命，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) 在電氣接口標准比較多，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。
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Statix Ⅱ和Statix Ⅲ系列，賽靈思公司的Virtex-4 SX 和Virtex-5 SX 系列等。
器件中的存儲器資源主要有2 種用途：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，利用鎖相環對時鍾進行相位鎖定，可以使電路獲得更穩定的性能。賽靈思公司提供的是數字鎖相環，其優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24MHz 以上；Altera 公司提供的是模擬鎖相環，其優點是下限工作頻率較低，一般在16 MHz 以上，其主流器件Statix Ⅱ和Statix Ⅲ系列中的增強型鎖相環工作頻率只要求在4 MHz 以上，其缺點是對時鍾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Statix Ⅱ GX 和Statix Ⅲ GX 系列，賽靈思公司的Virtex-4 FX 和Virtex-5 FX 系列都集成了高速串行收發器( 注意：賽靈思V5帶T 的產品都有高速串行收發器，V4、V2P 某些型號也有高速串行收發器)，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芯片價格都不高，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，代表嵌入式應用的一個方向。賽靈思公司提供集成PowerPC™的Virtex-4 FX 和virtex-5 FX 系列器件。隨着器件價格不斷下降，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FPGA+MCU 的應用方案相比，能大幅度提高系統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。
5.1.3 電氣接口標准
目前，數字電路的電氣接口標准非常多。在復雜數字系統中，經常會出現多種電氣接口標准。目前，主流FPGA 器件支持的電氣接口標准有：1．5 V，1．5-V 等，可以滿足絕大部分應用設計需求。
賽靈思公司的FPGA 幾乎所有的管腳都支持SSTL-2 Class Ⅱ電氣接口標准，此時選用賽靈思公司的FPGA 是比較理想的。
5.1.4 器件的速度等級
關於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：
(1) 由於傳輸線效應，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周期，降低產品的上市率。
5.1.5 器件的溫度等級
某些應用場合，對器件的環境溫度適應能力提出了很高的要求，此時，就應該在有工業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 都有工業級產品；Xllinx 公司每種型號的FPGA 都有工業級產品，部分型號的FPGA 提供軍品級和宇航級產品。
5.1.6 器件的封裝
目前，主流器件的封裝形式有：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 種封裝器件由於器件管腳引線電感和分布電容比較小，有利於高速電路的設計。
5.1.7 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律。以賽靈思公司剛推出的Virtex-5 為例，性能比Virtex-4 提高30％，而相對價位卻降低35％。