如何为应用选择最佳的FPGA（上）

如何选择最好的应用程序FPGA（上）

How To Select The Best FPGA For Your Application

在项目规划阶段，为任何项目选择一个FPGA部件是最关键的决策之一，对项目有长期影响。通常，这是一个优化问题，项目需求决定了特性和功能之间的平衡和妥协。在规划和决策阶段需要考虑很多事情FPGA特性。

逐一讨论FPGA常见特征。

FPGA封装

FPGA封装是指FPGA如何带引脚？FPGA之外，即FPGA的封装。FPGA封装的PCB封装是FPGA与PCB二维渲染接触表面。就像普通的微控制器一样DIP、SOIC、QFP封装形式相同，FPGA也有不同的包装。FPGA制造商提供任何东西FPGA封装的PCB详细的封装图纸。可供客户使用FPGA封装类型多种多样。

FPGA包装是以下决定因素：

FPGA芯片中的I/O数

千兆收发器数量（MGT）

FPGA芯片中I/O和MGT的最大速度

PCB布线规则、指南和约束

Maximum I/Os vs packages.

有一种FPGA25引脚可供选择WLCSP封装中有20个I/O，而2892个引脚的BGA包装约800个I/O。许多应用程序需要尽可能多的应用程序I/O。这些应用程序可以简单地驱动大量的发光二极管，从复杂到控制数百台用于机器人或工业应用的电机。I/o数量由项目决定，反过来又缩小了包选项的范围。

下一个重要的考虑因素是PCB布局约束。该项目是针对智能手机等真正紧凑的终端用户设备，还是针对坚固耐用的工业和军事设备？在第一种情况下，封装应该尽可能小，引脚之间的间距非常小。在后一种情况下，可以放宽设计限制，以适应球间距较大的非常大FPGA。封装决策随后会影响到项目的许多方面，如机械尺寸、PCB层堆叠、PCB布线、制造限制、千兆位收发器（MGT）速度限制等。对业余爱好者来说，BGA和WLCSP封装类型可能比较困难，但是QFP封装FPGA可能是更好的选择。拥有先进PCB组装机的公司肯定更喜欢BGAs。在BGA这类包装有一些，比如Wire-Bond-BGA，与倒装芯片BGA相比，它的MGT速度更低。

大多数FPGA制造商提供一种叫做设备迁移的功能。这意味着如果你选择任何具有特定包装的包装FPGA，同一包装可能会升级到更高端FPGA的选项。如下图所示Xilinx Artix-7 FPGA例如，如果您选择系列，FGG484封装中的XC7A50T，那么你将拥有5个以上的相同兼容性Artix-7设备，您可以选择升级到更高端FPGA或降级到低成本的低端FPGA，并保持硬件设计不变。成本和最佳功能FPGA移动性和灵活性提供了利用率。

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

FPGA资源

所需FPGA资源的最佳数量，此外，所需FPGA资源类型取决于项目需求。有些项目可能需要大量的资源I/O，有些项目可能只需要FPGA的DSP电影。以下是主要的FPGA资源：

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

关于FPGA封装部分用作封装部分I/o和MGT由于强烈决定，收发器做出了一些解释FPGA包装及管脚数。在Xilinx行话中，mgt以下可能的名称表示其最大传输速率：GTP、GTX、GTH、GTM、GTY和GTZ。这些都是千兆位收发器，但速度和能力不同。DisplayPort通常只需要四个收发器，但是PCI Express多达16个收发器可能需要。这个数字取决于目标应用程序。

不建议将逻辑、内存或时钟资源与设计要求几乎相同FPGA列入短名单FPGA开始饱和，Place&Route工具开始挣扎，很难关闭时间顺序。因此，建议预算的额外资源可能比实际设计要求多20%到30%。

有些FPGA内存控制器、PCI Express硬块和CPU核心(功率，ARM、RISC-V等等。由项目规划师决定是否需要任何特殊硬块。值得注意的是，FPGA成本会随之而来FPGA随着资源数量的增加，资源的能力也随之增加。FPGA结构和变化。

Styx模块采用XilinxZYNQXC7Z020芯片集成了硬硅ARM片上系统（SoC）和基于Artix-7.可编程逻辑。Zynq的SoC部分包括

双核ARM Cortex-A9处理器

双千兆以太网、SDIO、UART、SPI、I2C等

静态和动态内存控制器以及许多其他外围设备

下方框图说明Zynq可编程逻辑部分和SoC(处理系统)部分:

Telesto模块采用Intel MAX 10 FPGA，非易失性可编程逻辑器件。MAX 10 FPGA带片上双配置NOR闪存，传统FPGA它允许设备配置非常快。

与传统的FPGA不同，基于MAX 10的Telesto存储器不需要外部配置。这节省了PCB设计成本高，设计不易失败。此外，双配置闪存允许用户在单个芯片上存储和动态切换两个位流。 接口

几乎所有与FPGA通信要么通过可用的通用输入输出，要么通过特殊的输入输出IOs(如收发器)进行。例如，如果需要设计HDMI支持输入/输出TMDS信令的FPGA。若需要设计DisplayPort或PCI-Express等等，需要考虑使用带MGT收发器的FPGA。像DDR2和DDR这样的内存需要特殊的内存I/O标准和像IODELAY这样的特点。

通常通过编程、调试和配置接口JTAG以及配置位流存储的非易失性存储器。对于远程系统升级的要求，最好选择Multiboot或类似功能FPGA。例如，如果FPGA配置由处理器控制，而不是强制性的。多重启动意味着FPGA可以从非易失性存储器中的许多映像中的一个启动，如果它不能从升级的映像引导，那么它可以回到“黄金”位流。

功率使用

相对而言，FPGA比ASIC芯片耗电更多。智能手机或物联网的功率预算。（IoT）设备等功率敏感设计非常重要。FPGA该系列采用更密集的工艺节点(如28nm或14nm）各逻辑单元的功耗要求较低。

即使采用节能硅工艺，巨大的FPGA对电源的要求也很高。FPGA内核本身可能会消耗几十个安培电流。I/O、收发器、块RAM电源供应等挑战增加了很多。电源供应商和FPGA所有供应商FPGA提供电源分析工具。我们绝对建议用它们来规划项目的电力需求。

成本

最后一个因素，虽然是主要因素，但是成本。一个简单的规则是，任何附加功能都会增加成本。以Xilinx的Spartan-7与Artix-7 FPGA系列为例。Spartan-7系列与Artix-除了Spartan-7中没有收发器，在类似的逻辑资源计数中，它们比较Artix-7更便宜。所以，如果你只需要一个，FPGA处理很多I/O，然后使用带收发器的收发器FPGA毫无意义，这会增加成本，尤其是当你可以使用相同的成本时FPGA以较低的成本获得所需数量I/O，但是没有收发器。这也是锡林克斯发布的Spartan-7系列的原因之一。人们抱怨没有收发器，他们别无选择，只能为他们不打算使用的收发器付费。因此，对于这个细分市场，Spartan-7更有意义。另一方面，更高端的重磅FPGA很贵。但这些FPGA目标应用领域是那些愿意昂贵的用户FPGA付费应用，因为他们有尖端的技术和能力。例如，这些FPGA应用于顶级军用雷达、下一代无线技术、先进的数字信号处理、数据中心加速等。成本不是这些细分市场的重大交易破坏者。相反，他们对保持技术实力和能力的前沿感兴趣，领先于竞争对手或竞争对手。