如何為應(yīng)用選擇最佳的FPGA（上）

How To Select The Best FPGA For Your Application

在項(xiàng)目規(guī)劃階段，為任何一個(gè)項(xiàng)目選擇一個(gè)FPGA部件是最關(guān)鍵的決策之一，這對(duì)項(xiàng)目有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。通常，這是一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，項(xiàng)目需求決定了特性和功能之間的權(quán)衡和折衷。在規(guī)劃和決策階段需要考慮大量的FPGA特性。

逐一討論FPGA的常見(jiàn)特性。

FPGA封裝

FPGA封裝是指FPGA引腳如何被帶到FPGA之外，即FPGA的封裝。FPGA封裝的PCB封裝是FPGA與PCB接觸的表面的二維渲染。就像普通的微控制器有DIP、SOIC、QFP等封裝形式一樣，FPGA也有不同的封裝。FPGA制造商提供了任何FPGA封裝的PCB封裝的詳細(xì)圖紙。可供客戶使用的FPGA封裝類型多種多樣。

FPGA封裝是以下方面的決定因素：

FPGA芯片中的I/O數(shù)

千兆收發(fā)器數(shù)量（MGT）

FPGA芯片中I/O和MGT的最大速度

PCB布線規(guī)則、指南和約束

Maximum I/Os vs packages.

有一種FPGA可供選擇，在25引腳的WLCSP封裝中有20個(gè)I/O，而2892個(gè)引腳的BGA封裝則有大約800個(gè)I/O。許多應(yīng)用程序需要盡可能多的I/O。這些應(yīng)用可以簡(jiǎn)單到驅(qū)動(dòng)大量的發(fā)光二極管，復(fù)雜到控制數(shù)百臺(tái)用于機(jī)器人或工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)。所需的I/o數(shù)量由項(xiàng)目決定，這反過(guò)來(lái)又縮小了包選項(xiàng)的范圍。

下一個(gè)重要的考慮因素是PCB布局約束。該項(xiàng)目是針對(duì)智能手機(jī)等真正緊湊的終端用戶設(shè)備，還是針對(duì)堅(jiān)固耐用的工業(yè)和軍事設(shè)備？在第一種情況下，封裝應(yīng)該盡可能小，引腳之間的間距非常小。而在后一種情況下，可以放寬設(shè)計(jì)限制，以適應(yīng)具有更大球間距的非常大的FPGA。封裝決策隨后會(huì)影響到項(xiàng)目的許多方面，如機(jī)械尺寸、PCB層堆疊、PCB布線、制造限制、千兆位收發(fā)器（MGT）速度限制等。對(duì)于業(yè)余愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，BGA和WLCSP類型的封裝可能比較困難，而QFP封裝FPGA可能是更好的選擇。擁有先進(jìn)PCB組裝機(jī)的公司肯定更喜歡BGAs。在BGA這一類中，有一些封裝如Wire-Bond-BGA，與倒裝芯片BGA相比，它的MGT速度更低。

大多數(shù)FPGA制造商提供一種稱為“設(shè)備遷移”的功能。這意味著，如果您選擇任何一個(gè)帶有特定封裝的FPGA，那么在同一個(gè)封裝中可能有升級(jí)到更高端FPGA的選項(xiàng)。以下圖所示的Xilinx Artix-7 FPGA系列為例，如果您選擇FGG484封裝中的XC7A50T，那么您將擁有5個(gè)以上具有相同兼容性的Artix-7設(shè)備，您可以選擇升級(jí)到更高端的FPGA或降級(jí)到成本更低的低端FPGA，并保持硬件設(shè)計(jì)不變。此功能在成本和最佳FPGA利用率方面提供了移動(dòng)性和靈活性。

Table: Device migration and footprint compatibility between Artix-7 FPGAs.

FPGA資源

所需FPGA資源的最佳數(shù)量，此外，所需FPGA資源的種類取決于項(xiàng)目需求。有些項(xiàng)目可能需要大量的I/O，而有些項(xiàng)目可能只需要FPGA的DSP片。以下是主要的FPGA資源：

1. Logic resources (LUTs, Flip-Flop, etc)

2. Memory resources (Distributed RAM, Block RAM, etc)

3. Clock resources (PLL, MMCM, etc)

4. I/Os (Single-ended and differential)

5. DSP slices

6. Hard-blocks such as ARM cores, PCIe, 100G Ethernet, Interlaken, etc

7. MGT Transceivers
   
   關(guān)于FPGA封裝的部分對(duì)作為封裝一部分的I/o和MGT收發(fā)器進(jìn)行了一些說(shuō)明，因?yàn)樗鼈儚?qiáng)烈地決定了FPGA封裝和管腳數(shù)。在Xilinx行話中，mgt根據(jù)其最大傳輸速率由以下一個(gè)可能的名稱來(lái)表示：GTP、GTX、GTH、GTM、GTY和GTZ。這些都是千兆位收發(fā)器，但它們的速度能力各不相同。DisplayPort通常只需要四個(gè)收發(fā)器，但PCI Express可能需要多達(dá)16個(gè)收發(fā)器。此數(shù)字取決于目標(biāo)應(yīng)用程序。
   
   不建議將邏輯、內(nèi)存或時(shí)鐘資源與設(shè)計(jì)要求幾乎相同的FPGA列入短名單。一旦FPGA開(kāi)始飽和，Place&Route工具就開(kāi)始掙扎，很難實(shí)現(xiàn)時(shí)序閉合。因此，建議預(yù)算額外的資源，可能比實(shí)際設(shè)計(jì)要求多20%到30%。

有些FPGA具有專用的硬塊用于特殊用途，如內(nèi)存控制器、PCI Express硬塊和CPU核心（功率、ARM、RISC-V等）。由項(xiàng)目規(guī)劃者來(lái)決定他們是否需要任何專用的硬塊。值得注意的是，FPGA的成本會(huì)隨著FPGA資源數(shù)量的增加而增加。資源的能力也隨著較新的FPGA架構(gòu)而變化。

Styx模塊采用XilinxZYNQXC7Z020芯片，該芯片集成了硬硅ARM片上系統(tǒng)（SoC）和基于Artix-7的可編程邏輯。Zynq的SoC部分包括

雙核ARM Cortex-A9處理器

加固的外圍設(shè)備，如雙千兆以太網(wǎng)、SDIO、UART、SPI、I2C等

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)內(nèi)存控制器以及許多其他外圍設(shè)備

以下方框圖說(shuō)明了Zynq的可編程邏輯部分和SoC（處理系統(tǒng)）部分：

Telesto模塊采用Intel MAX 10 FPGA，這是一種非易失性可編程邏輯器件。MAX 10 FPGA帶有片上雙配置NOR閃存，與傳統(tǒng)FPGA相比，它允許非常快速的設(shè)備配置。

與傳統(tǒng)的FPGA不同，基于MAX 10的Telesto無(wú)需外部配置存儲(chǔ)器。這節(jié)省了PCB設(shè)計(jì)成本，而且設(shè)計(jì)不容易失敗。此外，雙配置閃存允許用戶在單個(gè)芯片上存儲(chǔ)和動(dòng)態(tài)切換兩個(gè)位流。
接口

幾乎所有與FPGA的通信要么通過(guò)可用的通用輸入輸出，要么通過(guò)專用的IOs（如收發(fā)器）進(jìn)行。例如，如果設(shè)計(jì)需要HDMI輸入/輸出，則應(yīng)考慮支持TMDS信令的FPGA。如果設(shè)計(jì)需要DisplayPort或PCI-Express等，則需要考慮使用帶有MGT收發(fā)器的FPGA。像DDR2和DDR3這樣的內(nèi)存需要專門(mén)的I/O標(biāo)準(zhǔn)和像IODELAY這樣的特性。

編程、調(diào)試和配置接口通常由JTAG和用于配置位流存儲(chǔ)的非易失性存儲(chǔ)器組成。對(duì)于遠(yuǎn)程系統(tǒng)升級(jí)要求，最好選擇具有“Multiboot”或類似功能的FPGA。例如，如果FPGA配置是由處理器控制的，則不是強(qiáng)制性的。多重啟動(dòng)意味著FPGA可以從非易失性存儲(chǔ)器中的許多映像中的一個(gè)啟動(dòng)，如果它不能從升級(jí)的映像引導(dǎo)，那么它可以回到“黃金”位流。

功率使用

相對(duì)而言，FPGA比ASIC芯片更耗電。功率預(yù)算對(duì)于智能手機(jī)或物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備等功率敏感型設(shè)計(jì)非常重要。新一代FPGA系列采用更密集的工藝節(jié)點(diǎn)（如28nm或14nm）制造，每個(gè)邏輯單元的功耗要求更低。

即使采用節(jié)能硅工藝，巨大的FPGA也對(duì)電源提出了很高的要求。僅僅FPGA內(nèi)部核心本身就可能消耗幾十安培的電流。再加上I/O、收發(fā)器、塊RAM等的電源供應(yīng)，挑戰(zhàn)增加了很多。電源供應(yīng)商和FPGA供應(yīng)商為所有FPGA提供電源分析工具。我們絕對(duì)建議使用它們來(lái)規(guī)劃項(xiàng)目的電力需求。

成本

最后一個(gè)因素，盡管是一個(gè)主要因素，是成本。一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則是，任何附加功能都會(huì)增加成本。以Xilinx的Spartan-7與Artix-7 FPGA系列為例。Spartan-7系列與Artix-7非常相似，除了Spartan-7中沒(méi)有收發(fā)器，并且在類似的邏輯資源計(jì)數(shù)方面，它們比Artix-7更便宜。因此，如果您只需要一個(gè)FPGA來(lái)處理大量的I/O，那么使用帶有收發(fā)器的FPGA就沒(méi)有多大意義了，這會(huì)增加成本，特別是當(dāng)您可以用一個(gè)相同的FPGA以較低的成本獲得所需數(shù)量的I/O，但沒(méi)有收發(fā)器時(shí)。這也是錫林克斯發(fā)布Spartan-7系列的原因之一。人們抱怨說(shuō)沒(méi)有收發(fā)器他們就沒(méi)有選擇，他們不想為他們不打算使用的收發(fā)器付費(fèi)。因此，對(duì)于這一細(xì)分市場(chǎng)，Spartan-7更有意義。


另一方面，更高端的“重磅”FPGA價(jià)格非常昂貴。但這些FPGA的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域是那些用戶愿意為昂貴的FPGA付費(fèi)的應(yīng)用，因?yàn)樗麄儞碛屑舛说募夹g(shù)和能力。例如，這些FPGA應(yīng)用于頂級(jí)軍用雷達(dá)、下一代無(wú)線技術(shù)、先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)中心加速等。對(duì)于這些細(xì)分市場(chǎng)，成本并不是一個(gè)重大的交易破壞者。相反，他們對(duì)保持技術(shù)實(shí)力和能力的前沿感興趣，領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手或?qū)κ帧?/p>

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的如何为应用选择最佳的FPGA（上）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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