利用先进的FPGA I/O功能降低总体PCB制造成本之一 处理器, 存储器, 嵌入式, 通用, 成本

pengpengpang

本文介绍了利用现代FPGA架构的先进性能管理PCB复杂性的新方法，即可以减少PCB布线的拥塞，减少设计反复、重新设计的次数以及削减层和元件的数量。同时也概述了利用FPGA的灵活I/O特性降低PCB制造成本的方法。

        内置嵌入式处理器、DSP和存储器模块的高端FPGA有替代整个ASIC的趋势。最新的FPGA器件能够专门利用多个通用I/O管脚来创建更宽的配置总线，从而加快编程时间，而这些引脚在配置完成后仍可作为正常的I/O管脚使用。器件复杂度的增加意味着引脚数量的增加，这会提高在PCB上集成这些器件的难度和成本。设计小组必须认真应对这一挑战，以确保使用这些新的可编程器件时不会影响到产品的成本和上市时间。

        引脚数量超过1,000的FPGA会给电路板设计带来很大的麻烦。采用人工方式对这么多数量的引脚进行布局和布线是非常低效的，特别是当FPGA设计有稍许修改时会造成费时的电路板设计反复。尽管引脚数量提高了，封装上的引脚间距仍保持不变，但PCB上的引脚密度却有显著的增加。随之产生的布线拥塞意味着大多数PCB设计师必须具备高密度互连(HDI)制造工艺方面的丰富经验。包含高数量引脚FPGA器件的PCB需要更多层的电路板，底线是每增加一层，制造成本增加10%到20%。

        理想的I/O标准选择和配置必须考虑PCB的电气特性。最新FPGA器件的高速串行I/O使得FPGA和系统板之间的接口成为特别棘手的问题。例如数千兆位收发器(MGT)技术旨在显著缩短数据路径，同时戏剧性地提高吞吐量。然而这些高速I/O会带来新的挑战。设计师现在不是担心系统时序、上冲/下冲、串扰和正确端接，而是关心介电损耗、趋肤效应和确定性/随机性抖动问题及其对码间干扰的影响。

        数千兆位差分信号的信号劣化和衰减主要有三大原因：介电损耗(是长度和板材的函数)、过孔损耗和连接器损耗。根据具体物理位置的不同，每个过孔的损耗将在0.5dB到1dB之间，而总的损耗裕量只不是10dB到15dB之间。因此，大多数FPGA制造商推荐将数千兆位收发器放置在FPGA的四周，以避免打孔到内部信号层。根据FPGA制造商的规范要求，仔细的堆叠规划对这些信号而言至关重要，以便达到仔细校准过的差分阻抗。

        为了进一步解决好问题，FPGA I/0设计是灵活的。其它任何硅片技术都无法提供像FPGA器件这样灵活的接口特性。过去由于电路板设计和FPGA设计小组没有取得I/O设计的同步致使许多PCB 需要重新设计的情况时有发生。具有I/O新功能的高引脚数量器件会显著地增加PCB制造成本和整体上市时间，在这种情况下，借鉴本文推荐的解决方案就能够跨越FPGA和PCB设计流程之间的日渐变宽的沟壑。

        传统的突破

         FPGA设计流程采用的方法基于硬件描述语言，而PCB仍采用原理图输入方法。对复杂度不高的器件来说，传统流程是可以接受的，FPGA和PCB可以在不同的设计环境中分别进行设计。然而，这种传统的FPGA和PCB设计小组独立工作模式带来的是以下这种串行步骤：

         1. FPGA设计师定义设计的顶层模块，并建立逻辑信号；

         2. FPGA设计师在FPGA综合步骤中锁定一些特殊信号(时钟信号、专门的高速信号)；

          3 . FPGA供应商的布局布线软件自动将其它的FPGA顶层信号分配到物理器件管脚，并创建FPGA引脚映射文件；

         4. FPGA小组将引脚映射信息发送给PCB设计小组，同时库管理员创建FPGA器件的定义；

          5. PCB设计师创建FPGA的符号并将它引入PCB原理图设计；

          6. 根据PCB的原理图进行PCB的布局布线。