如何為應用選擇最佳的FPGA（上）

How To Select The Best FPGA For Your Application

在項目規劃階段，為任何一個項目選擇一個FPGA部件是最關鍵的決策之一，這對項目有著長遠的影響。通常，這是一個優化問題，項目需求決定了特性和功能之間的權衡和折衷。在規劃和決策階段需要考慮大量的FPGA特性。

逐一討論FPGA的常見特性。

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

千兆收發器數量（MGT）

FPGA芯片中I/O和MGT的最大速度

PCB布線規則、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I/O，而2892個引腳的BGA封裝則有大約800個I/O。許多應用程序需要盡可能多的I/O。這些應用可以簡單到驅動大量的發光二極管，復雜到控制數百臺用于機器人或工業應用的電機。所需的I/o數量由項目決定，這反過來又縮小了包選項的范圍。

下一個重要的考慮因素是PCB布局約束。該項目是針對智能手機等真正緊湊的終端用戶設備，還是針對堅固耐用的工業和軍事設備？在第一種情況下，封裝應該盡可能小，引腳之間的間距非常小。而在后一種情況下，可以放寬設計限制，以適應具有更大球間距的非常大的FPGA。封裝決策隨后會影響到項目的許多方面，如機械尺寸、PCB層堆疊、PCB布線、制造限制、千兆位收發器（MGT）速度限制等。對于業余愛好者來說，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PCB組裝機的公司肯定更喜歡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FPGA制造商提供一種稱為“設備遷移”的功能。這意味著，如果您選擇任何一個帶有特定封裝的FPGA，那么在同一個封裝中可能有升級到更高端FPGA的選項。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個以上具有相同兼容性的Artix-7設備，您可以選擇升級到更高端的FPGA或降級到成本更低的低端FPGA，并保持硬件設計不變。此功能在成本和最佳FPGA利用率方面提供了移動性和靈活性。

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

FPGA資源

所需FPGA資源的最佳數量，此外，所需FPGA資源的種類取決于項目需求。有些項目可能需要大量的I/O，而有些項目可能只需要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
   
   關于FPGA封裝的部分對作為封裝一部分的I/o和MGT收發器進行了一些說明，因為它們強烈地決定了FPGA封裝和管腳數。在Xilinx行話中，mgt根據其最大傳輸速率由以下一個可能的名稱來表示：GTP、GTX、GTH、GTM、GTY和GTZ。這些都是千兆位收發器，但它們的速度能力各不相同。DisplayPort通常只需要四個收發器，但PCI Express可能需要多達16個收發器。此數字取決于目標應用程序。
   
   不建議將邏輯、內存或時鐘資源與設計要求幾乎相同的FPGA列入短名單。一旦FPGA開始飽和，Place&Route工具就開始掙扎，很難實現時序閉合。因此，建議預算額外的資源，可能比實際設計要求多20%到30%。

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

Styx模塊采用XilinxZYNQXC7Z020芯片，該芯片集成了硬硅ARM片上系統（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

加固的外圍設備，如雙千兆以太網、SDIO、UART、SPI、I2C等

靜態和動態內存控制器以及許多其他外圍設備

以下方框圖說明了Zynq的可編程邏輯部分和SoC（處理系統）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FPGA相比，它允許非常快速的設備配置。

與傳統的FPGA不同，基于MAX 10的Telesto無需外部配置存儲器。這節省了PCB設計成本，而且設計不容易失敗。此外，雙配置閃存允許用戶在單個芯片上存儲和動態切換兩個位流。
接口

幾乎所有與FPGA的通信要么通過可用的通用輸入輸出，要么通過專用的IOs（如收發器）進行。例如，如果設計需要HDMI輸入/輸出，則應考慮支持TMDS信令的FPGA。如果設計需要DisplayPort或PCI-Express等，則需要考慮使用帶有MGT收發器的FPGA。像DDR2和DDR3這樣的內存需要專門的I/O標準和像IODELAY這樣的特性。

編程、調試和配置接口通常由JTAG和用于配置位流存儲的非易失性存儲器組成。對于遠程系統升級要求，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，則不是強制性的。多重啟動意味著FPGA可以從非易失性存儲器中的許多映像中的一個啟動，如果它不能從升級的映像引導，那么它可以回到“黃金”位流。

功率使用

相對而言，FPGA比ASIC芯片更耗電。功率預算對于智能手機或物聯網（IoT）設備等功率敏感型設計非常重要。新一代FPGA系列采用更密集的工藝節點（如28nm或14nm）制造，每個邏輯單元的功耗要求更低。

即使采用節能硅工藝，巨大的FPGA也對電源提出了很高的要求。僅僅FPGA內部核心本身就可能消耗幾十安培的電流。再加上I/O、收發器、塊RAM等的電源供應，挑戰增加了很多。電源供應商和FPGA供應商為所有FPGA提供電源分析工具。我們絕對建議使用它們來規劃項目的電力需求。

成本

最后一個因素，盡管是一個主要因素，是成本。一個簡單的規則是，任何附加功能都會增加成本。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中沒有收發器，并且在類似的邏輯資源計數方面，它們比Artix-7更便宜。因此，如果您只需要一個FPGA來處理大量的I/O，那么使用帶有收發器的FPGA就沒有多大意義了，這會增加成本，特別是當您可以用一個相同的FPGA以較低的成本獲得所需數量的I/O，但沒有收發器時。這也是錫林克斯發布Spartan-7系列的原因之一。人們抱怨說沒有收發器他們就沒有選擇，他們不想為他們不打算使用的收發器付費。因此，對于這一細分市場，Spartan-7更有意義。


另一方面，更高端的“重磅”FPGA價格非常昂貴。但這些FPGA的目標應用領域是那些用戶愿意為昂貴的FPGA付費的應用，因為他們擁有尖端的技術和能力。例如，這些FPGA應用于頂級軍用雷達、下一代無線技術、先進的數字信號處理、數據中心加速等。對于這些細分市場，成本并不是一個重大的交易破壞者。相反，他們對保持技術實力和能力的前沿感興趣，領先于競爭對手或對手。

總結

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）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。