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1.3 FPGA的工艺结构
随着FPGA的生产工艺不断提高，各种新技术被广泛应用到FPGA芯片的设计生产的各个环境。其中，生产工艺结构决定了FPGA芯片的特性和应用场合。
如图1.2所示是FPGA的主要几种生产工艺及典型产品。
 图1.2 FPGA生产工艺及典型产品
1.3.1 基于SRAM结构的FPGA
目前最大的两个FPGA厂家Xilinx和Altera的所有FPGA产品都是基于SRAM工艺来实现的。这种工艺的优点是可以用较低的成本来实现较高的密度和较高的性能;缺点是掉电后SRAM会失去所有配置，导致每次上电都需要重新加载。
重新加载需要外部的器件来实现，不仅增加了整个系统的成本，而且引入了不稳定的因素。加载的过程容易受到外界干扰而导致加载失败，也容易受到“监听”而破解加载文件的比特流。
虽然基于SRAM结构的FPGA存在这些缺点，但是由于其实现成本低，还是得到了广泛的应用，特别是民用产品方面。
1.3.2 基于反融丝结构的FPGA
Actel公司擅长出品反融丝结构的FPGA。这种结构的FPGA只能编程一次，编程后和ASIC一样成为了固定逻辑器件。Quick Logic公司也有类似的FPGA器件，主要面向军品级应用市场。
这样的FPGA失去了反复可编程的灵活性，但是大大提高了系统的稳定性。这种结构的FPGA比较适合应用在环境苛刻的场合，比如高振动，强电磁辐射等航空航天领域。同时，系统的保密性也得到了提高。
这类FPGA因为上电后不需要从外部加载配置，所以上电后可以很快进入工作状态，即 “瞬间上电”技术。这个特性可以满足一些对上电时间要求苛刻的系统。由于是固定逻辑，这种器件的功耗和体积也要低于SRAM结构的FPGA。
1.3.3 基于Flash结构的FPGA
Flash具备了反复擦写和掉电后内容非易失特性，因而基于Flash结构的FPGA同时具备了SRAM结构的灵活性和反融丝结构的可靠性。这种技术是最近几年发展起来的新型FPGA实现工艺，目前实现的成本还偏高，没有得到大规模的应用。
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(Non Volatile Memory，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器件的工作频率可达350MHz，利用率超过95%，而SRAM FPGA一般能够达到的利用率仅为70～75%。Flash FPGA在加电时没有像SRAM FPGA那样大的瞬间高峰电流，并且SRAM FPGA通常具有较高的静态功耗和动态功耗。
例如，一块40万门的基于Flash的FPGA需要20mA的静态电流，然而同等规模的基于SRAM的FPGA所需的电流达100mA。SRAM FPGA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。
1.4 主流的FPGA芯片厂家及其代表产品
目前市场上FPGA芯片主要来自Xilinx公司和Altera公司。这两家公司占据了FPGA 80%以上的市场份额，其他的FPGA厂家产品主要是针对某些特定的应用。比如，Actel公司主要生产反融丝结构的FPGA，以满足应用条件极为苛刻的航空、航天领域产品。
下面介绍Xilinx和Altera两家公司的代表产品。
1.4.1 Xilinx公司的代表产品
1.面向高性能的Virtex-5 FPGA 系列
终极系统集成平台——Virtex-5系列FPGA提供了4种新型平台，每种平台都在高性能逻辑、串行连接功能、信号处理和嵌入式处理性能方面实现了最佳平衡。现有的3款平台如下。
(1)Virtex-5 LX平台：针对高性能逻辑进行了优化。
(2)Virtex-5 LXT平台：针对带有低功耗串行连接功能的高性能逻辑进行了优化。
(3)Virtex-5 SXT平台：针对带有低功耗串行连接功能的 DSP 和存储器密集型应用进行了优化。
2.面向低成本的Spartan-3 系列 FPGA
90nm Spartan-3 系列 FPGA 的发售量已经超过3000万片，是业内首款大容量 FPGA 系列产品，带有多个针对特定领域进行了优化的平台。
(1)面向数字信号处理的Spartan-3A DSP平台。
这个平台对DSP进行了优化，适于那些需要集成式 DSP MAC 和扩展存储器的应用。特别适于那些需要低成本FPGA来实现信号处理(如军用无线电、监视照相机、医学成像等)的应用设计。
(2)面向非易失性应用的Spartan-3AN 平台。
这个平台主要针对需要非易失性、系统集成、安全、大型用户Flash的应用。特别适于空间敏感型或安全应用，以及低成本嵌入式控制器。
(3)面向主流应用的Spartan-3平台。
① Spartan-3A平台：针对 I/O 进行了优化。
这个平台是针对那些I/O数和性能比逻辑密度更重要的应用，特别适于桥接、差分信号和存储器接口这些需要宽接口或者多个接口以及一定处理能力的应用。
② Spartan-3E平台：针对逻辑进行了优化。
这个平台是针对那些逻辑密度比I/O数更重要的应用，特别适于逻辑集成、DSP协处理和嵌入式控制，这些需要进行大量处理和窄接口或者少量接口的应用。
③ Spartan-3平台：针对密度最高和管脚数较多的应用。
这个平台是针对那些高逻辑密度和高 I/O 数都很重要的应用，特别适于高度集成的数据处理应用。
1.4.2 Altera公司的代表产品
1.面向高性能的StraitixIII系列FPGA
和Xilinx的Virtex-4系列对应，Altera公司也推出了StratixIII系列FPGA体系结构。StratixIII系列不仅性能比上一代提高很多，更重要的是静态和动态功耗比前代FPGA低了50%。
Stratix III器件经过设计，支持高速内核以及高速I/O，并且具有非常好的信号完整性。例如，它能够实现400MHz DDR3的FPGA。这种性能的提高源于以下几点。
增强DSP模块，方便实现了信号处理算法。
经过优化的内部存储器，改进了信号完整性存储器接口。
高性能外部存储器接口。
改进了布线体系结构。
灵活的I/O支持最新的外部存储器标准。
为了给客户的设计应用提供最好的性价比解决方案，Altera Stratix III FPGA提供3种型号，分别针对逻辑、DSP和存储器以及收发器进行了优化。
2.面向低成本的Cyclone III系列FPGA
低成本Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代产品。Cyclone III FPGA系列前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能，进一步扩展了FPGA在成本敏感、大批量领域中的应用。
Cyclone III FPGA采用TSMC公司的65-nm低功耗(LP)工艺技术。Cyclone III 器件对芯片和软件采取了更多的优化措施，在所有65-nm FPGA中是功耗最低的，在对成本和功耗敏感的大量应用中，提供丰富的特性推动宽带并行处理的发展。
Cyclone III 系列包括8个型号，具有5k～120k个逻辑单元(LE)，最多有534个用户I/O引脚。Cyclone III器件具有4MB嵌入式存储器、288个嵌入式18×18乘法器、专用外部存储器接口电路、锁相环(PLL)以及高速差分I/O等。
1.5 工程项目中FPGA芯片选择策略和原则
由于FPGA具备设计灵活、可以重复编程的优点，因此在电子产品设计领域得到了越来越广泛的应用。在工程项目或者产品设计中，选择FPGA芯片可以参考以下的几点策略和原则。
1.5.1 尽量选择成熟的产品系列
FPGA芯片的工艺一直走在芯片设计领域的前列，产品更新换代速度非常快。稳定性和可靠性是产品设计需要考虑的关键因素。厂家最新推出的FPGA系列产品一般都没有经过大批量应用的验证。选择这样的芯片会增加设计的风险。
而且，最新推出的FPGA芯片因为产量比较小，一般供货情况都不会很理想，价格也会偏高一些。如果成熟的产品能满足设计指标要求，那么最好选这样的芯片来完成设计。
例如，要用FPGA设计一块数据采集卡。采用Altera公司的Cyclone、CyloneII和CycloneIII等3个系列的芯片都可以完成这个功能。考虑到Cyclone和CyloneII是成熟产品，同时CyloneII又是Cyclone的升级产品，因此选择CyloneII是比较理想的方案。
1.5.2 尽量选择兼容性好的封装
FPGA系统设计一般采用硬件描述语言(HDL)来完成设计。这与基于CPU的软件开发又有很大不同。特别是算法实现的时候，在设计之前，很难估算这个算法需要占多少FPGA的逻辑资源。
作为代码设计者，希望算法实现之后再选择FPGA的型号。但是，现在的设计流程一般都是软件和硬件并行开始设计。也就是说，在HDL代码设计之前，就开始硬件板卡的设计。这就要求硬件板卡具备一定的兼容性，可以兼容不同规模的FPGA芯片。
幸运的是，FPGA芯片厂家考虑到了这一点。目前，同系列的FPGA芯片一般可以做到相同物理封装兼容不同规模的器件。例如，Xilinx的Spartan3系列FPGA，在BGA456封装下，可以选择3S200、2S400、3S1000、3S1500这4种型号的FPGA。
正是因为这一点，将来的产品就具备非常好的扩展性，可以不断地增加新的功能或者提高性能，而不需要修改电路板的设计文件。
1.5.3 尽量选择一个公司的产品
如果在整个电子系统中需要多个FPGA器件，那么尽量选择一个公司的产品。这样的好处不仅可以降低采购成本，而且降低开发难度。因为开发环境和工具是一致的，芯片接口电平和特性也一致，便于互联互通。
很多第一次接触FPGA的设计师在芯片选型的时候都有过这个疑问。其实这两个最大的FPGA厂家位于美国的同一座城市，人员和技术交流都很频繁，因此产品各有的优势和特色，很难说清楚谁好谁坏。
在全球不同的地区，这两家公司的FPGA芯片产品的市场表现会有所差别。在中国市场，两家公司可以说是平分秋色，在高校里面Altera的客户会略多一些。针对特定的应用，两个厂家的产品目录里面都可以找到适合的系列或者型号。
比如，针对低成本应用，Altera公司的Cyclone系列和Xilinx公司的Spartan3系列是对应的。针对高性能应用，Altera公司的Stratix系列和Xilinx公司的Virtex系列是对应的。所以，最终选择那个公司的产品还是看开发者的使用习惯。 |
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