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第五章、FPGA实战开发技巧
5.1 FPGA 器件选型常识
作者： 童 鹏、胡以华/中科院上海技术物理研究所
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。FPGA 器件选型有以下7 个原则：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、器件的封装和器件的价格。
5.1.1器件的供货渠道和开发工具的支持
目前，主要的FPGA 供应商有赛灵思公司、Altera 公司、Lattic 公司和Actel 公司等， 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。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 系列主要应用于逻辑设计和简单数字信号处理，Virtex-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。
赛灵思公司有集成开发环境ISE，Altera 公司有集成开发环境Quartus Ⅱ，两个集成开发环境支持本公司所有器件的设计和开发。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。
5.1.2 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：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。
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Statix Ⅱ和Statix Ⅲ系列，赛灵思公司的Virtex-4 SX 和Virtex-5 SX 系列等。
器件中的存储器资源主要有2 种用途：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。赛灵思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24MHz 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Statix Ⅱ和Statix Ⅲ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Statix Ⅱ GX 和Statix Ⅲ GX 系列，赛灵思公司的Virtex-4 FX 和Virtex-5 FX 系列都集成了高速串行收发器( 注意：赛灵思V5带T 的产品都有高速串行收发器，V4、V2P 某些型号也有高速串行收发器)，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，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。赛灵思公司提供集成PowerPC™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。
5.1.3 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FPGA 器件支持的电气接口标准有：1．5 V，1．5-V 等，可以满足绝大部分应用设计需求。
赛灵思公司的FPGA 几乎所有的管脚都支持SSTL-2 Class Ⅱ电气接口标准，此时选用赛灵思公司的FPGA 是比较理想的。
5.1.4 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：
(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。
5.1.5 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。
5.1.6 器件的封装
目前，主流器件的封装形式有：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。
5.1.7 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。以赛灵思公司刚推出的Virtex-5 为例，性能比Virtex-4 提高30％，而相对价位却降低35％。