FPGA的种类与应用选型

FPGA的种类与应用选型FPGA厂商可以提供两种主要的FPGA技术：Flash和SRAM。表面上看来，这两种FPGA技术具有相似的特性和性能：都可以进行在系统编程，都具有较高的性能，系统门的密度都可达1M以上。但实际上，这两种技术具有很大的差异。相比基于SRAM的器件而言，基于Flash的可重编程器件的主要优势在于其具有非易失性的特性。基于Flash的FPGA采用Flash编程单元来控制FPGA内部的开关逻辑门。基于Flash的FPGA编程单元是单管结构，而基于SRAM的FPGA采用六管SRAM单元进行开关控制，并且其开关本身还要占用一个传输门。在系统每次加电时，我们必须从某个外部器件中加载SRAMFPGA的配置信息。而基于Flash的FPGA是单芯片结构，在加电之前其配置就是有效的，从而大大节约了成本。从系统安全的角度来看，基于Flash的FPGA具有更高的安全性，硬件出错的几率更小，并能够通过公共网络实现安全性远程升级，经过现场处理即可实现产品的升级换代。这种性能减少了现场解决问题所需的昂贵开销。在Flash器件中集成小型的NVM（nonvolatilememory，非易失性存储器）模块可以在某些消费电子和汽车电子应用中实现授权技术。这种NVM可以存储安全通信所需的密钥，或者针对基于广播的系统实现机顶盒设备的串行化。可重编程的NVM模块在90nm逻辑SRAM工艺下是无法实现的，并且所有的SRAMFPGA厂商也不提供这种模块。将单独的NVM模块集成到SRAM阵列中是可行的，但是将其他工艺下的NVM模块集成到90nmSRAM工艺中却极具挑战性。此外，可重编程的NVM在编程时需要一定的电压，因此SRAM用户必须从外部提供这种电压。基于Flash的FPGA（例如Actel的ProASIC3）采用内部电荷泵进行编程，不需要集成NVM模块，而基于SRAM的FPGA通常缺乏这种功能。Flash器件（例如Actel的ProASIC3/E）的工作频率可达350MHz，利用率超过95%，而SRAMFPGA一般能够达到的利用率仅为70%到75%。FlashFPGA在加电时没有像SRAMFPGA那样大的瞬间高峰电流，并且SRAMFPGA通常具有较高的静态功耗和动态功耗。SRAMFPGA的功耗问题往往迫使系统设计者不得不增大系统供电电流，并使得整个设计变得更加复杂。FlashFPGA的功耗特性与ASIC和ASSP十分类似，减少了对电源供电的需求。FPGA的编程技术目前，市场上有三种基本的FPGA编程技术：SRAM、反熔丝、Flash。其中，SRAM是迄今为止应用范围最广的架构，主要因为它速度快且具有可重编程能力，而反熔丝FPGA只具有一次可编程能力。基于Flash的FPGA是FPGA领域比较新的技术，也能提供可重编程功能。基于SRAM的FPGA器件经常带来一些其他的成本，包括：启动PROMS支持安全和保密应用的备用电池等等。基于Flash和反熔丝的FPGA没有这些隐含成本，因此可保证较低的总系统成本。1、基于SRAM的FPGA器件这类产品是基于SRAM结构的可再配置型器件，上电时要将配置数据读入片内SRAM中，配置完成就可进入工作状态。掉电后SRAM中的配置数据丢失，FPGA内部逻辑关系随之消失。这种基于SRAM的FPGA可以反复使用。2、反熔丝FPGA采用反熔丝编程技术的FPGA内部具有反熔丝阵列开关结构，其逻辑功能的定义由专用编程器根据设计实现所给出的数据文件，对其内部的反熔丝阵列进行烧录，从而使器件实现相应的逻辑功能。这种器件的缺点是只能一次性编程；优点是具有高抗干扰性和低功耗，适合于要求高可靠性、高保密性的定型产品。3、基于Flash的FPGA在这类FPGA器件中集成了SRAM和非易失性EEPROM两类存储结构。其中SRAM用于在器件正常工作时对系统进行控制，而EEPROM则用来装载SRAM。由于这类FPGA将EEPROM集成在基于SRAM工艺的现场可编程器件中,因而可以充分发挥EEPROM的非易失特性和SRAM的重配置性。掉电后，配置信息保存在片内的EEPROM中，因此不需要片外的配置芯片，有助于降低系统成本、提高设计的安全性。在芯片制造技术方面，有别于其它常见的SRAMFPGA芯片，Actel采用了独门的FlashFPGA技术，从而使自己的产品具备非常鲜明的特点。尽管，目前业内80%的FPGA都基于SRAM架构，这一架构可以采用标准的SRAM工艺,可以集成更多的晶体管,实现更高的性能，并且发展到40nm工艺阶段。但是采用130nm技术的FlashFPGA仍然在市场上独树一帜。采用Flash结构的FPGA，在低功耗、安全性、可靠性等方面具有更大优势。正是由于其在安全可靠性方面的优势，Actel牢牢占据军事、航空航天领域的头把交椅。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；器件的资源；器件的电气接口标准；器件的速度；器件的等级；器件的封装；器件的价格；器件的计算能力等指标；器件的供货持续时间等。1、器件的供货渠道和开发工具的支持A.如果需要尽快上市，抢占市场，一般选择开发简单的Altera或者Xilinx产品；B.如果产品已经稳定，需要提高保密性能和稳定性能，可以考虑Lattice，QuickLogic或者Actel公司的反融丝类型或者Flash类型的FPGA；C.如果需要很强的抗干扰性能，工作环境十分恶劣，如果航空航天，一般选Actel公司的产品。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、PLL资源、串行收发器资源和硬核微处理器资源等。(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。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如下图等各种标准，可以满足绝大部分应用设计需求。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、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。6、器件的封装目前，主流器件的封装形式有：QFP，BGA和FBGA，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，这两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。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％。以上结论可判断FPGA的种类与应用选型，功能强大，是一种不错的工具。