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FPGA芯片选型和命名规则

reg_ctrl 2023-12-31 原文

1. 芯片选型

在采用FPGA电路设计中，首先要进行芯片选型。而芯片选型都是根据你的设计需求来找器件。需求可能涉及以下几个方面：

1. 时钟速度（逻辑时钟、IO时钟等），不同Family能达到的速度不同

2. 时钟数量，不同Family的时钟资源不同

3. IO数目和支持的电平标准

4. 板上封装(焊接方式、体积大小）

5. 其他各种硬核功能（PowerPC,MGT,GTP,TEMAC等）

6. 功耗要求，顺便考虑散热空间

7. 非易失性要求，Spartan 3A系列有内置Flash

8. 产品调试和升级扩容空间，比如调试时用较大的器件，完成后改用同样封装较小规模的器件

1.1 Xilinx芯片

 

6系列用ISE开发，7系列用vivado。

  1. Spartan-7 的定位为低成本应用，容量中等，性能仅为满足一般的逻辑设计要求。
  2. Artix-7 和 Kintex-7 均可认为其定位为高性价比：
  3. Artix-7 系列提供了最高性能功耗比结构、收发器线速、DSP 处理能力以及 AMS 集成；
  4. Kintex-7 系列最佳成本/性能/功耗平衡，同时提供高 DSP 率、高性价比封装；
  5. Virtex-7 则定位为高性能应用，容量大，性能定位为能满足各类高端应用。

关于各系列的片上资源，可直接参考各系列的芯片选型手册：

Cost-Optimized Portfolio Product Tables and Product Selection Guide

All Programmable 7Series Product Selection Guide

UltraSCALE FPGA Product Tables and Product Selection Guide

1.2 Altera芯片

Altera 的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Cyclone，CycloneII；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如Startix，StratixII等，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件

2. 芯片命名规则

2.1 Altera命名规则

器件系列 + 器件类型（是否含有高速串行收发器） + LE 逻辑单元数量 + 封装类型 + 高速串行收发器的数量（没有则不写） + 引脚数目 + 器件正常使用的温度范围 + 器件的速度等级 + 后缀举例：

EP4CE10F17C8N 为例

  1. EP4C：Altera 器件 Cyclone IV 系列；
  2. E/GX：E 表示普通逻辑资源丰富的器件，GX 表示带有高速串行收发器的器件；
  3. 10：LE 逻辑单元的数量，单位为 k，10 表示约有 10k 的逻辑单元；
  4. C：表示高速串行收发器的数量，该芯片没有高速串行收发器所以不写；
  5. F：表示 PCB 封装类型，F 是 FBGA 封装，E（EQFP）、Q（PQFP）、U（UBGA）、M（MBGA）；
  6. 17：表示引脚数量，17 代表有 256 个引脚；
  7. C：工作温度，C 表示可以工作在 0℃到 85℃（民用级），I 表示可以工作在-40℃
  8. 到 100℃（工业级），A 表示可以工作在-40℃到 125℃（军用级）；
  9. 8：器件的速度等级，6 最大约是 500MHz，7 最大约是 430MHz，8 最大约是400MHz
  10. N：后缀，N 表示无铅，ES 代表工程样片。

​​​​​​​2.2 Xilinx的FPGA命名规则

UG-112：Device Package User Guide

UG-116：Device Reliability Report

 

譬如，对于编号为XC4VLX60-1FFG668CS2的FPGA，器件类型是XC4VLX60-10，封装是FFG668CS2。具体而言

  1. XC4VLX：代表FPGA的家族，这里是VIRTEX 4LX
  2. 60： 代表system gates或logic cells的数目，即60,000
  3. -1： 代表速度等级
  4. FFG： 是封装方式（Pb-free flip-chip BGA）
  5. 668： 是引脚数目
  6. C： 代表的温度等级Temperature grade ，这里是商用(Commercial)
  7. S2： 即step2
  •  

​​​​​​​2.3 速度等级

序号越低，速度等级越高 这是Altera FPGA的排序方法，“序号越高，速度等级也越高”这是Xilinx FPGA的排序方法

在芯片生产出来之后，实际测试标定出来的；速度快的芯片在总产量中的比率低，价格也就相应地高。

一般来讲，提高一个速度等级将带来 12%到 15%的性能提升，但是器件的成本却增加了 20%大 30%。如果利用设计结构来将性能提升12%到 15%（通过增加额外的流水线），那么就可以降低速度等级，从而节约20%大 30%的成本；

​​​​​​​2.4 温度等级

 

​​​​​​​3. FPGA IO引脚及命名方式

参考：FPGA开发者看过来：IO是怎么命名的？上电又有什么规律？__凤凰网

命名方式多样，A13，B14，BANK34，BANK12，MIO0，EMIO···。这是FPGA的特点，FPGA可以兼容多种不同的电压标准，也有丰富的IO。

FPGA的IO物理命名规则，也就是我们做管脚约束时候的命名，芯片通常是长方体或者正方体，所以命名通常采用字母+数字组合的方式。

xilinx的命名（xilinx的文档是行业标杆，其它FPGA厂家的资料多多少少会参考xilinx）通常xilinx 的功能命名格式为：IO_LXXY#/IO_XX。其中：

  1. （1） IO代表用户IO；
  2. （2） L代表差分，XX代表在当前BANK下的唯一标识号，Y=[P|N]表示LVDS信号的P或者N；
  3. （3） #表示Bank号。

例如：IO_L13P_T2_MRCC_12，这是一个用户IO，支持差分信号，是BANK12的第13对差分的P端口，与此同时它也是全局时钟网络输入管脚（MRCC是全局时钟网络）

除了FPGA的用户IO外，还有很多其他的功能IO，如下载接口，模式选择接口，还有MRCC，最重要的是FPGA的电源引脚。

Zynq有两套独立的供电系统，（PS和PL），因此没有上电时序需求

选型命名spanstyle000000fpga开发

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