FPGA器件选型研究

      1 引 言

　　现场可编程门阵列FPGA有集成度高、体积小、灵活可重配置、实验风险小等优点，在复杂数字系统中得到了越来越广泛的应用。

　　随着FPGA技术的成熟和不断飞速发展，数字电路的设计只需一片FPGA器件、一些存储设备和一些电气接口匹配电路的解决方案已成为主流选择方案。根据多年的应用经验，相关数字系统中，FPGA器件的选型非常重要，不合理的选型会导致一系列的后续设计问题，有时甚至会使设计失败；合理的选型不光可以避免设计问题，而且可以提高系统的性价比，延长产品的生命周期，获得预想不到的经济效果。

　　经过深入研究，总结了以下选型问题：器件的供货渠道和开发工具的支持；器件的硬件资源；器件的电气接口标准；器件的速度等级；器件的温度等级；器件的封装；器件的价格。

　　2 FPGA器件选型应该考虑的问题

　　2．1 器件的供货渠道和开发工具的支持

　　目前，主要的FPGA供应商有Xllinx公司、Altera公司、Lattic公司和Actel公司[1]，其中Xllinx公司和Altera公司的规模最大，能提供器件的种类非常丰富[2，3]。FPGA的发展速度非常快，很多型

号的FPGA器件已不是主流产品，为了提高产品的生命周期，最好在货源比较足的主流器件中选型。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系列主要应用于逻辑设计和简单的数字信号处理，StatixⅡ和StatixⅢ系列主要应用于高速复杂数字信号处理和高速逻辑设计，StatixⅡGX和StatixⅢGX系列主要应用于通讯领域[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系列主要应用于逻辑设计和简单数字信号处理，Vir-tex-4 LX和Virtex-5 LX系列主要应用于高速逻辑设计，Virtex-4 SX和Virtex-5 SX系列主要应用于高速复杂数字信号处理，Virtex-4 FX和Virtex-5 FX系列主要应用于嵌入式系统[3]。

　　两家公司都提供了优秀的开发工具。Xllinx公司有集成开发环境ISE，Altera公司有集成开发环境QuartusⅡ，两个集成开发环境支持本公司所有器件的设计和开发[2，3]。该集成开发环境不仅功能强大、界面友好，而且有很多第三方合作伙伴提供相应的技术支持，能使器件获得更高的性能。因此，如果没有特殊应用要求，建议最好在这两家公司进行器件选型。

　　2．2器件的硬件资源

　　硬件资源是器件选型的重要标准。硬件资源包括逻辑资源、I／O资源、布线资源、DSP资源、存储器资源、锁相环资源、串行收发器资源和硬核微处理器资源等。

　　逻辑资源和I／O资源的需求是每位设计人员最关心的问题，一般都会考虑到，可是，过度消耗I／O资源和布线资源可能产生的问题却很容易被忽视。主流FPGA器件中，逻辑资源都比较丰富，一般可以满足应用需求。可是，在比较复杂的数字系统中，过度I／O资源的消耗可能会导致2个问题[2，3]：FPGA负荷过重，器件发热严重，严重影响器件的速度性能、工作稳定性和寿命，设计中要考虑器件的散热问题；局部布线资源不足，电路的运行速度明显降低，有时甚至使设计不能适配器件，设计失败。根据本人的应用经验：

　　(1)在做复杂数字信号处理时，位数比较高的乘法器和除法器对全局布线资源的消耗量比较大；

　　(2)在做逻辑设计时，双向I／O口对局部布线资源的消耗量比较大；

　　(3)在利用存储器资源设计滤波器的应用场合，局部布线资源的消耗量比较大；

　　(4)在电气接口标准比较多，而逻辑比较复杂的应用场合，局部布线资源的消耗量比较大。据Altera公司推荐，设计中最好能预留30％以上的逻辑资源、20％以上的I／O资源和30％以上的布线资源[1]。而且，从两家公司器件的结构看，Xllinx公司器件的可编程逻辑块相对于Al-tera公司要复杂一些，使用起来要灵活一些。在一些复杂的、控制信号比较多的设计中，适合选用Xllinx公司的产品。不过Xllinx公司器件布线资源是分段的，器件延时的可预测性要差一些。在这些应用场合，最好首先做设计仿真，对设计?肖耗的布线资源，尤其是很容易被忽视的局部布线资源，要有一个比较充分的了解，然后在考虑器件选型，是比较理想的。

　　在做乘法运算比较多而且对速度性能要求比较高的应用场合，最好能选用带DSP资源比较多的器件，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]。

　　器件中的存储器资源主要有2种用途[2，3]：作高性能滤波器；实现小容量高速数据缓存。这是一种比较宝贵的硬件资源，一般器件中的存储器资源都不太多，存储器资源较多的器件逻辑容量也非常大，用得也比较少，供货渠道也不多，器件价格也非常高。因此，在器件选型时，最好不要片面追求设计的集成度而选用这种器件，可以考虑选用低端器件+外扩存储器的设计方案。

目前，主流FPGA中都集成了锁相环，利用锁相环对时钟进行相位锁定，可以使电路获得更稳定的性能。Xllinx公司提供的是数字锁相环，其优点是能获得更精确的相位控制，其缺点是下限工作频率较高，一般在24 MHz以上；Altera公司提供的是模拟锁相环，其优点是下限工作频率较低，一般在16 MHz以上，其主流器件StatixⅡ和StatixⅢ系列中的增强型锁相环工作频率只要求在4 MHz以上，其缺点是对时钟相位的控制精度相对较差。

　　在通讯领域里，用光纤传输高速数据是一个比较常用的解决方案。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发器，这种器件价格一般都比较高。目前，National和Maxim等公司提供的高性能专用串行收发芯片价格都不高[4，5]，因此，如果只是进行光纤数据传输没计，大可不必选用这种器件；如果是光纤数据传输+逻辑或算法比较复杂的应用场合，最好是将两种方案进行比较，然后考虑是否选用该器件。

　　利用集成硬核微处理器的FPGA器件进行嵌入式开发，代表嵌入式应用的一个方向。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。随着器件价格不断下降，在很多应用场合，在不增加成本的情况下，选用该器件和传统FPGA+MCU的应用方案相比，能大幅度提高系统性能和降低硬件设计复杂程度。此时，选用该器件是比较理想的。

　　2．3 电气接口标准

　　目前，数字电路的电气接口标准非常多。在复杂数字系统中，经常会出现多种电气接口标准。目前，主流FP-GA器件支持的电气接口标准有[1，2]：1．5 V，1．5-V

等，可以满足绝大部分应用设计需求。

　　可是，FPGA器件的每一个I／O并不支持所有的电气接口标准，以Altera公司的FPGA为例，只有部分1／O支持SSTL-2 ClassⅡ电气接口标准，在对DDR进行设计时，会导致PCB布线相当复杂，器件的I／O管脚利用率相当低。而Xllinx公司的FPGA几乎所有的管脚都支持SSTL-2 ClassⅡ电气接口标准，此时选用Xllinx公司的FPGA是比较理想的。

　　2．4 器件的速度等级

　　关于器件速度等级的选型，一个基本的原则是：在满足应用需求的情况下，尽量选用速度等级低的器件。该选型原则有如下好处[2，3]：

　　(1)由于传输线效应，速度等级高的器件更容易产生信号反射，设计要在信号的完整性上花更多的精力； (2)速度等级高的器件一般用得比较少，价格经常是成倍增加，而且高速器件的供货渠道一般比较少，器件的订货周期一般都比较长，经常会延误产品的研发周期，降低产品的上市率。

　　2．5 器件的温度等级

　　某些应用场合，对器件的环境温度适应能力提出了很高的要求，此时，就应该在有工业级甚至是军品级或宇航级的器件中进行选型。据调研，Altera公司每种型号的FPGA都有工业级产品；Xllinx公司每种型号的FPGA都有工业级产品，部分型号的FPGA提供军品级和宇航级产品。如果设计主要面向军用或航天应用，最好选用Actel公司的器件，该公司的器件主要面向这些用户。

　　2．6 器件的封装

　　目前，主流器件的封装形式有[2，3]：QFP，BGA和FB-GA，BGA和FBGA封装器件的管脚密度非常高，设计中必须使用多层板，PCB布线相当复杂，设计成本比较高，器件焊接成本比较高，因此，设计中能不用尽量不用。不过，在密度非常高，集成度非常高和对PCB板体积要求比较高的应用场合，尽量选用BGA和FBGA封装器件。还有一种情况，在电路速度非常高的应用场合，最好选用BGA和FBGA封装器件，这2种封装器件由于器件管脚引线电感和分布电容比较小，有利于高速电路的设计。

　　2．7 器件的价格

　　器件集成度不断提高，性能不断上升，而价位不断下降是FPGA器件发展的普遍趋势，因此，在不断推出的新型器件中选型是一个基本规律[2，3]。以Xllinx公司刚推出的Virtex-5为例，性能比Virtex-4提高30％，而相对价位却降低35％。

　　3 结 语

　　本文是笔者多年从事FPGA器件应用开发和对FP-GA技术不断跟踪的结晶。文中不仅结合部分应用实例对FPGA器件的选型进行了深入的总结，而且提供了大量的最新器件信息。这些内容对从事FPGA应用设计的人员有很大的参考价值。